Simulación 3D de kilonova deja al descubierto el origen de elementos pesados como el platino y el oro

Una simulación por ordenador tridimensional de la luz emitida tras la fusión de dos estrellas de neutrones ha producido una secuencia similar de características espectroscópicas a una kilonova observada.

“La coincidencia sin precedentes entre nuestras simulaciones y la observación de la kilonova AT2017gfo indica que entendemos ampliamente lo que ocurrió después de la explosión”, dice Luke J. Shingles, científico de GSI/FAIR y autor principal de la publicación en The Astrophysical Journal Letters.

GSI (Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) es la institución que alberga el acelerador FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research).

Las interacciones entre electrones, iones y fotones dentro del material expulsado de una fusión de estrellas de neutrones determinan la luz que podemos ver a través de los telescopios. Estos procesos y la luz emitida se pueden modelar con simulaciones por computadora de transferencia radiativa.

Recientemente, los investigadores han producido por primera vez una simulación tridimensional que sigue de forma coherente la fusión de estrellas de neutrones, la nucleosíntesis por captura de neutrones, la energía depositada por la desintegración radiactiva y la transferencia radiativa con decenas de millones de transiciones atómicas de elementos pesados.

Al ser un modelo 3D, la luz observada se puede predecir en cualquier dirección de visión. Cuando se ve casi perpendicular al plano orbital de las dos estrellas de neutrones (como lo indica la evidencia observacional para la kilonova AT2017gfo), el modelo predice una secuencia de distribuciones espectrales que parecen notablemente similares a lo que se ha observado para AT2017gfo.

“La investigación en este campo nos ayudará a comprender los orígenes de elementos más pesados que el hierro (como el platino y el oro), que se produjeron principalmente mediante el rápido proceso de captura de neutrones en las fusiones de estrellas de neutrones”, afirma Shingles en un comunicado.

Aproximadamente, la mitad de los elementos más pesados que el hierro se produce en un entorno de temperaturas y densidades de neutrones extremas, como se consigue cuando dos estrellas de neutrones se fusionan entre sí.

Cuando eventualmente se acercan entre sí y se fusionan, la explosión resultante conduce a la eyección de materia con las condiciones apropiadas para producir núcleos pesados inestables ricos en neutrones mediante una secuencia de capturas de neutrones y desintegraciones beta.

Estos núcleos se desintegran hasta alcanzar la estabilidad, liberando energía que impulsa una explosiva ‘kilonova’ transitoria, una brillante emisión de luz que se desvanece rápidamente en aproximadamente una semana.

La simulación 3D combina varias áreas de la física, incluido el comportamiento de la materia a altas densidades, las propiedades de los núcleos pesados inestables y las interacciones átomo-ligero de elementos pesados.

Aún quedan desafíos por resolver, como tener en cuenta la velocidad a la que cambia la distribución espectral y la descripción del material expulsado en momentos tardíos.

Los avances futuros en esta área aumentarán la precisión con la que podemos predecir y comprender las características de los espectros y mejorarán nuestra comprensión de las condiciones en las que se sintetizaron los elementos pesados. Un ingrediente fundamental para estos modelos son los datos experimentales atómicos y nucleares de alta calidad que proporcionará la instalación FAIR.

*Con información de Europa Press