Las estrellas se disuelven en neutrones para forjar oro y otros elementos pesados
Cuando una estrella colapsa, su propia luz puede desgarrarla a nivel subatómico, liberando neutrones y creando los elementos más valiosos del universo. Un nuevo estudio nos descubre cómo el oro, el uranio y el platino nacen en este violento proceso de destrucción y creación cósmica.
Por Enrique Coperías
Un chorro fotónico de alta energía atraviesa una estrella colapsada, con un agujero negro en su centro. A su alrededor, el capullo de plasma rojo captura neutrones libres, dando inicio al proceso r, responsable de la formación de elementos pesados como el oro y el uranio. Imagen generada con DALL-E
Comprender cómo se formaron los elementos más pesados de la tabla periódica, —como el oro, el uranio yo el plutonio, es uno de los grandes desafíos abiertos en la física moderna.
Ahora, un equipo internacional de investigadores liderado por Matthew Mumpower, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Estados Unidos, ha propuesto una nueva y sorprendente vía para resolver este misterio: la generación dinámica de neutrones a través de intensos chorros de fotones en las profundidades de estrellas moribundas.
Según publican en The Astrophysical Journal, el proceso ocurre durante el colapso de estrellas masivas, en eventos conocidos como estallidos de rayos gamma de larga duración (lGRB). Durante estos colapsos, un agujero negro recién formado lanza un chorro de materia a velocidades cercanas a la de la luz, que atraviesa el material estelar y genera un capullo de plasma caliente a su alrededor.
La luz que transmuta protones en neutrones
Es en esa interfase entre el chorro y la estrella donde, de manera inédita, la luz de alta energía puede transmutar protones en neutrones y liberar así la materia prima necesaria para fabricar los elementos pesados.
«La creación de elementos como el uranio y el plutonio requiere condiciones extremas» —explica Mumpower en un comunicado del Laboratorio Nacional de Los Álamos. Y añade—: «En el cosmos solo hay unos pocos escenarios viables, aunque raros, donde puedan formarse estos elementos, y todos ellos requieren una enorme cantidad de neutrones. Nosotros proponemos un nuevo fenómeno en el que esos neutrones no preexisten, sino que se producen dinámicamente dentro de la estrella».
Esta propuesta resuelve un problema fundamental: los neutrones libres tienen una vida media muy corta, de apenas unos quince minutos. Esto limita enormemente los escenarios en los que pueden estar disponibles en cantidad suficiente para desencadenar el conocido como r-proceso, la cadena de reacciones nucleares que crea los elementos más pesados de la naturaleza.
El nuevo modelo de Los Álamos ofrece una forma de generar neutrones en el momento y lugar adecuados, exactamente cuando y donde más se necesitan.
Como un tren de mercancías abriendo surcos en la nieve
La clave está en las reacciones fotohadrónicas. Cuando fotones de altísima energía —producidos en el interior del chorro por procesos como la reconexión magnética o las ondas de choque— impactan contra los protones del material estelar, inducen reacciones que los convierten en neutrones.
Además, los propios núcleos atómicos pueden ser disueltos en sus constituyentes básicos, lo que hace que queden aún más neutrones libres. Los cálculos del equipo de físicos sugieren que esta conversión puede producirse a velocidades asombrosas, del orden de nanosegundos.
Mumpower compara el avance del chorro dentro de la estrella con un tren de mercancías abriendo surcos en la nieve. En su camino, la luz de alta energía no solo arrastra el material estelar, sino que literalmente lo transforma a nivel subatómico.
Captura del telescopio espacial Hubble donde se aprecia el destello de radiación gamma proveniente de una kilonova. En palabras de Mumpower, «la disolución estelar por chorros de fotones de alta energía ofrece un origen alternativo para la producción de elementos pesados y para la generación de kilonovas, una posibilidad que hasta ahora no se había asociado a estrellas en fase de colapso». Cortesía: NASA, ESA, N. Tanvir (University of Leicester), A. Fruchter (STScI), and A. Levan (University of Warwick)
Implicadas las cuatro fuerzas fundamentales
Un elemento esencial del proceso es la separación de partículas: los protones, al estar cargados, quedan atrapados por los intensos campos magnéticos que dominan el chorro. Los neutrones, en cambio, no sienten estos campos y son expulsados hacia el capullo de plasma caliente. Al mezclarse allí con el plasma, y dada su alta densidad comparada con el entorno, crean las condiciones necesarias para que se inicie el r-proceso y la síntesis de elementos pesados.
Este mecanismo, además de su innovación conceptual, tiene una relevancia práctica importante. «El proceso implica todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnetismo, interacción fuerte, interacción débil y gravedad», explica el equipo. Es, en efecto, un desafío multifísico de primer orden, que combina física nuclear, hidrodinámica relativista y teoría del campo magnético, entre otras disciplinas.
Aunque los investigadores han logrado modelar el proceso de generación de neutrones con notable detalle, reconocen que aún quedan retos importantes por zanjar. Por ejemplo, los isótopos formados durante el r-proceso en estos ambientes extremos son, en su mayoría, desconocidos en la Tierra. No se sabe bien sus propiedades fundamentales, como sus vidas medias y las masas nucleares. Comprender mejor estos isótopos será crucial para validar plenamente el modelo.
Origen de las kilonovas
Además, este nuevo escenario podría cambiar la manera en que interpretamos ciertos fenómenos observados en el universo. Hasta ahora, las kilonovas o macronovas, o sea, los intensos destellos de luz óptica e infrarroja que acompañan a las colisiones de estrellas de neutrones, se consideraban la firma principal del r-proceso en acción.
Sin embargo, los chorros de alta energía de un colapsar, tal como propone este estudio, podrían también generar kilonovas, ofreciendo una alternativa que no requeriría necesariamente la fusión de dos estrellas de neutrones.
Recordemos que un colapsar es el proceso en el que una estrella muy masiva, generalmente con una masa superior a veinte veces la del Sol, al agotar su combustible nuclear, ya no puede sostenerse contra su propia gravedad y colapsa sobre sí misma, formando un agujero negro. Durante este colapso, el material estelar que no cae directamente en el agujero negro puede formar un disco de acreción y lanzar potentes chorros de energía, produciendo fenómenos extremadamente luminosos como son los estallidos de rayos gamma de larga duración.
Depósitos de hierro y plutonio en el corazón de la Tierra
En palabras de Mumpower, «la disolución estelar por chorros de fotones de alta energía ofrece un origen alternativo para la producción de elementos pesados y para la generación de kilonovas, una posibilidad que hasta ahora no se había asociado a estrellas en fase de colapso».
El estudio también conecta con observaciones recientes de depósitos de hierro y plutonio en sedimentos de aguas profundas de la Tierra. Estos isótopos parecen tener un origen extraterrestre, pero su fuente exacta sigue siendo un misterio. Los autores sugieren que eventos de colapsares energéticos como los descritos en su modelo podrían ser una explicación plausible para este tipo de depósitos.
De cara al futuro, el equipo de Los Álamos planea realizar simulaciones aún más detalladas, como incorporar la microfísica de las interacciones y el transporte de neutrones en entornos astrofísicos extremos. El objetivo es entender mejor cómo evolucionan las condiciones del capullo tras la inyección de neutrones y cómo eso afecta a la síntesis final de los elementos pesados.
El marco propuesto no solo tiene importancia para la astrofísica básica, sino que también puede ofrecer ideas útiles para aplicaciones de seguridad nacional, en particular en lo que respecta al modelado de fenómenos de transporte de neutrones y de reacciones nucleares en condiciones extremas.
Para Mumpower, el modelo abre una nueva ventana para comprender la química cósmica más profunda. Donde antes solo veíamos chorros de luz y energía, ahora imaginamos un hervidero invisible de neutrones, cocinando en los instantes finales de una estrella los elementos que conforman planetas, joyas... y también la vida. ▪️
Información facilitada por el Laboratorio Nacional de Los Álamos
Fuente: Matthew R. Mumpower et al. Let There Be Neutrons! Hadronic Photoproduction from a Large Flux of High-energy Photons. The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1e3
