El 9 de noviembre de 2024, astrónomos informaron sobre las primeras observaciones detalladas de la formación de elementos pesados resultantes de una colisión de estrellas de neutrones, ubicada a 130 millones de años luz de la Tierra. Este evento llevó a una colosal explosión, creando el agujero negro más pequeño jamás observado y proporcionando un relato cronológico de la formación de átomos pesados.
Las estrellas de neutrones son restos de estrellas masivas (de 7 a 19 masas solares) que colapsan después de agotar su combustible nuclear. Sus capas externas son expulsadas durante explosiones de supernova, dejando atrás un núcleo hiperdenso que contiene aproximadamente dos masas solares en una esfera de aproximadamente 20 kilómetros de diámetro. El colapso gravitacional obliga a los electrones y protones a combinarse, formando neutrones.
Algunas estrellas de neutrones existen en sistemas binarios, orbitando ya sea una estrella normal o otra estrella de neutrones. Si esta última sobrevive a la explosión de supernova de la primera, generan ondas gravitacionales debido a sus densidades extremas mientras se acercan. Finalmente, su colisión produce una explosión de kilonova, que se cree que crea elementos pesados como el oro y el platino.
Este proceso no se había caracterizado en detalle hasta ahora. Investigadores del Cosmic DAWN Center del Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, combinaron mediciones de luz de la kilonova AT2017gfo utilizando múltiples telescopios, marcando la primera observación de la formación de estos elementos. El coautor Rasmus Damgaard declaró: "Ahora podemos ver el momento en que los núcleos atómicos y los electrones se unen en esta luminescencia residual." Agregó: "Por primera vez, somos testigos de la creación de átomos y medimos la temperatura de la materia."
El equipo analizó la luz de AT2017gfo, que resultó de la colisión catastrófica de dos estrellas de neutrones, produciendo un pequeño agujero negro y expulsando materia rica en neutrones en una esfera de plasma que se expande a una velocidad cercana a la de la luz. La luminosidad de la kilonova era comparable a la de cientos de millones de soles debido a la inmensa radiación procedente de la desintegración radiactiva de los elementos involucrados.
En los momentos inmediatos posteriores a la colisión, la materia expulsada alcanzó temperaturas de varios miles de millones de grados, mil veces más caliente que el núcleo del Sol y comparable a las condiciones en el universo solo un segundo después del Big Bang. Estas condiciones extremas hicieron que los electrones se separaran de los núcleos atómicos, formando un plasma ionizado en movimiento perpetuo.
A medida que pasaba el tiempo, la materia se enfrió, similar al universo después del Big Bang. Aproximadamente 370,000 años después del Big Bang, la materia se había enfriado lo suficiente como para que los electrones pudieran unirse a los núcleos atómicos, formando los primeros átomos. Un proceso similar de captura rápida de neutrones ocurre durante una explosión de kilonova, creando elementos más pesados que el hierro.
Albert Sneppen, el autor principal del estudio, señaló que el desarrollo de la kilonova es tan rápido que ningún telescopio único puede capturar toda su historia debido a la rotación de la Tierra. Por lo tanto, el equipo combinó mediciones de telescopios en Australia, Sudáfrica y el telescopio espacial Hubble.
Este esfuerzo colaborativo proporcionó una cronología de la formación de átomos pesados. Después de la explosión de la kilonova, la esfera de materia se expande tan rápidamente que la luz tarda horas en atravesarla completamente, lo que permite a los investigadores rastrear la cronología de la explosión desde el borde de la esfera. En la parte más cercana a la Tierra, los electrones ya están unidos a los núcleos atómicos, mientras que el agujero negro aún se está formando en el lado más alejado.
Damgaard comentó: "Es como observar tres radiaciones del fondo cósmico de microondas que nos rodean, pero aquí podemos ver todo desde el exterior. Somos testigos del antes, durante y después del momento del nacimiento de los átomos." Los investigadores observaron la formación de elementos pesados como el estroncio y el itrio y sospechan que otros elementos pesados no listados también podrían haberse formado.