Neutrinos y estrellas de neutrones: cómo las partículas fantasma cambian las fusiones cósmicas y el origen del oro en el universo

Las fusiones de estrellas de neutrones esconden un secreto invisible: los neutrinos. Estas partículas fantasma no solo alteran la colisión, sino que también deciden cuánto oro y otros elementos pesados se forjan en el cosmos.

Por Enrique Coperías

Recreación artística de una colisión explosiva de dos estrellas de neutrones. Ilustración: Robin Dienel-Cortesía: Carnegie Institution for Science.

Las colisiones de estrellas de neutrones se han convertido en un laboratorio cósmico de primer orden. En estos choques cósmicos extremos, donde dos cadáveres estelares con masas comparables a la del Sol se precipitan uno contra otro a velocidades cercanas a la de la luz, se produce una sinfonía de fenómenos: ondas gravitacionales, estallidos de radiación y la forja de elementos pesados como el oro o el uranio.

Desde la detección histórica de la fusión GW170817 en 2017, la astrofísica vive una auténtica revolución gracias a la llamada astronomía multimensajero: observar el cosmos a la vez con telescopios y con detectores de ondas gravitacionales.

Pero en este escenario ya de por sí complejo había un actor secundario, casi invisible, que empezaba a reclamar protagonismo: los neutrinos. Estas partículas subatómicas, célebres por atravesar la materia sin apenas interactuar con ella, desempeñan un papel clave en la dinámica interna de las estrellas y, como ahora muestra un estudio publicado en el repositorio en línea de artículos científicos arXiv, también en el corazón de las fusiones de estrellas de neutrones.

Qué significa que los neutrinos cambien de sabor

El trabajo, firmado por un equipo de iinvestigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Tennessee, coordinado por Yi Qiu, presenta las primeras simulaciones de relatividad numérica que incorporan de manera explícita las transformaciones de sabor de los neutrinos.

Se trata de un fenómeno cuántico por el cual un neutrino puede metamorfosearse entre sus tres identidades —electrónico, muónico y tauónico— durante su viaje. Lejos de ser un detalle anecdótico, el estudio revela que estas conversiones modifican tanto la estructura del objeto resultante de la fusión como la composición del material expulsado al espacio.

Las consecuencias son profundas: la señal de ondas gravitacionales podría llevar la huella de estos procesos, y la abundancia de ciertos elementos químicos podría variar de manera considerable en función de si los neutrinos cambian o no de sabor.

La dificultad de simular las fusiones de estrellas de neutrones

Modelar una fusión de estrellas de neutrones ya es, por sí mismo, uno de los desafíos más complejos de la astrofísica computacional. No basta con las ecuaciones de la relatividad general de Einstein: hay que sumar la física nuclear en condiciones extremas, la hidrodinámica relativista, los campos magnéticos y el transporte de radiación. Y entre esa radiación, los neutrinos son protagonistas.

El gran problema es que describir con precisión cómo se mueven los neutrinos en este contexto exigiría resolver una ecuación de Boltzmann de siete dimensiones, algo completamente prohibitivo incluso para los superordenadores más potentes. Por eso, hasta ahora, las simulaciones astrofísicas empleaban aproximaciones que dejaban de lado un aspecto crucial: las oscilaciones de sabor de los neutrinos.

Se sabía, gracias a cálculos teóricos, que estas transformaciones podían ocurrir en escalas de tiempo de nanosegundos, mucho más rápidas que la evolución hidrodinámica de la fusión. Esto hacía prácticamente imposible incluirlas en los modelos tradicionales. El nuevo estudio introduce un enfoque ingenioso: un operador de colisión simplificado, inspirado en el modelo Bhatnagar-Gross-Krook, que permite simular el paso de los neutrinos hacia un equilibrio de sabores sin necesidad de seguir cada oscilación individual.

Simulación de la fusión de estrellas de neutrones: las texturas muestran la densidad de neutrinos y los colores, la energía de sus distintos sabores. Estas partículas invisibles influyen en cómo se desarrolla la colisión. Cortesía: Penn State / David Radice.

Tres escenarios simulados: ¿qué pasa si los neutrinos se mezclan?

Los investigadores simularon la colisión de dos estrellas de neutrones idénticas, cada una con 1,35 masas solares, usando la ecuación de estado DD2, una de las más empleadas para describir la materia nuclear ultradensa. Analizaron tres casos distintos:

✅ Sin mezcla de neutrinos (modelo de control).

✅ Mezcla a densidades por debajo de 10¹¹ g/cm³, es decir, en las regiones más externas y ópticamente delgadas.

✅ Mezcla hasta densidades de 10¹³ g/cm³, penetrando en capas más internas del disco de acreción.

La diferencia entre activar o no esta metamorfosis neutrínica resultó ser impresionante.

En el segundo escenario, el disco de acreción que rodea al remanente se volvió más rico en neutrones, pues la transformación de neutrinos electrónicos en otros sabores redujo la cantidad de reacciones que convierten neutrones en protones. Esto tuvo un efecto inmediato en el material expulsado: mucho más propicio para formar elementos pesados mediante el proceso-r, esa cadena de capturas rápidas de neutrones que produce desde lantánidos hasta actínidos.

En el tercer escenario, con mezcla más profunda, la historia cambió: algunos de los neutrinos transformados escapaban con facilidad, pero luego se convertían de nuevo en neutrinos electrónicos en capas externas, favoreciendo así un leve aumento de protones. El resultado fue menos material ultraneutrónico y, por tanto, menos producción de los elementos más pesados que en el caso anterior.

Cómo afectan los neutrinos a las ondas gravitacionales

Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio es que las oscilaciones de sabor de los neutrinos podrían dejar huella en la señal de ondas gravitacionales. Los modelos con mezcla mostraron un remanente más compacto y ligado gravitatoriamente: en el caso de la mezcla profunda, hasta un 20% más que sin mezcla.

Esto se traduce en una mayor luminosidad en ondas gravitacionales y en un ligero desplazamiento de la frecuencia característica del espectro tras la fusión.

Si futuras generaciones de detectores, como el Einstein Telescope europeo y el Cosmic Explorer estadounidense, alcanzan la sensibilidad prevista, podrían llegar a detectar esas diferencias. De confirmarse, las ondas gravitacionales no solo serían un mensajero de la relatividad general, sino también de la física cuántica de los neutrinos.

Instantáneas de simulación ~15 milisegundos después de la fusión de dos estrellas de neutrones. A la izquierda, el modelo con mezcla de sabores de neutrinos (ρ−11); a la derecha, el modelo sin mezcla. Los colores muestran la fracción de electrones, la densidad de masa y la abundancia de distintos tipos de neutrinos. El disco con mezcla resulta más rico en neutrones que el modelo sin mezcla. Cortesía: Yi Qiu et al.

El origen del oro y el papel invisible de los neutrinos

La otra gran consecuencia se encuentra en la nucleosíntesis estelar. Al calcular las abundancias de elementos pesados en el material expulsado, los autores encontraron que la cantidad de lantánidos y otros elementos pesados que se forman mediante el proceso-r puede variar muchísimo: hasta multiplicarse o reducirse por diez, dependiendo de si se tienen en cuenta las oscilaciones de neutrinos.

Esto significa que los neutrinos, esas partículas casi indetectables que atraviesan la Tierra en trillones cada segundo sin que nos demos cuenta, podrían estar determinando cuánto oro, platino o uranio se produce en cada fusión de estrellas de neutrones. Una conexión insospechada entre lo más etéreo de la física de partículas y la riqueza material del cosmos.

Qiu y sus colegas no pretenden tener la última palabra. Reconocen que el modelo de mezcla es aún simplificado y que faltan incluir determinados ingredientes, como interacciones inelásticas con leptones y efectos de inestabilidades rápidas de sabor. Pero abre un camino: integrar la física cuántica de neutrinos en las simulaciones de fusiones estelares.

A medida que los detectores de ondas gravitacionales y los telescopios multipliquen las observaciones de kilonovas —una explosión cósmica que ocurre cuando dos estrellas de neutrones se fusionan— en la próxima década, estos modelos permitirán interpretar mejor los datos y, quizá, resolver uno de los grandes enigmas: ¿de dónde procede exactamente la mitad de los elementos más pesados del universo?

Una lección cósmica de humildad

La historia de los neutrinos es también la historia de cómo lo minúsculo influye en lo gigantesco. Descubiertos hace menos de un siglo como una partícula fantasma para cuadrar ecuaciones de decaimiento nuclear, hoy se revelan como protagonistas en las catástrofes cósmicas más energéticas.

Las fusiones de estrellas de neutrones, que liberan más energía en segundos que la que el Sol emitirá en toda su vida, están siendo reescritas gracias a la acción silenciosa de estas partículas. Quizá, cuando en el futuro los astrónomos descifren con precisión las ondas gravitacionales de un choque estelar y los espectros de una kilonova, encuentren la firma inequívoca de los neutrinos cambiando de sabor en pleno caos.

Y entonces tendremos que admitir que buena parte del oro de nuestros anillos, del platino en nuestros catalizadores o del uranio en los reactores nucleares nació bajo la batuta de esas partículas huidizas. Un recordatorio de que, en el universo, lo invisible manda más de lo que creemos. ▪️

• Fuente: Yi Qiu, David Radice, Sherwood Richers and Maitraya Bhattacharyya. Neutrino Flavor Transformation in Neutron Star Mergers. Physical Review Letters (2025). DOI: : https://doi.org/10.1103/h2q7-kn3v