El origen cósmico de las tierras raras

Las “tierras raras” son ese grupo de elementos químicos con nombres exóticos del que depende el universo tecnológico que hemos generado en la Tierra. Hasta ahora no podíamos concretar donde ni cómo se producían. Pero al fin acabamos de ver su origen: el colosal momento estelar que da lugar a elementos más pesados que el hierro, que son hoy el centro de la geopolítica, del desarrollo tecnológico, de las energías renovables, del teléfono móvil, del ordenador desde el que escribo.

Concretamente, hemos visto el nacimiento cósmico de los lantánidos siguiendo la evolución de la kilonova asociada al GRB 230307A.

A partir de imágenes del telexopio James Webb se ha podido observar el estallido de rayos gamma excepcionalmente brillante, GRB 230307A, y su kilonova asociada.
Wikimedia commons, CC BY

Nuestro estudio, recientemente publicado en la revista Nature, en el que hemos participado investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y de la Universidad de Málaga (UMA), ha confirmado el papel fundamental de las kilonovas en la producción de elementos pesados en el universo.

Antes del encuentro

Las kilonovas son eventos astronómicos extraordinariamente energéticos y explosivos. Resultan de la fusión bien de dos estrellas de neutrones, bien de una estrella de neutrones con un agujero negro, o bien de una estrella de neutrones con una estrella enana blanca (el cadáver de una estrella similar al Sol).

Las dos estrellas de neutrones que al fusionarse dieron lugar al GRB 230307A fueron, en su origen, dos estrellas masivas normales que formaron un sistema binario en su galaxia espiral. Pero fueron expulsadas y viajaron por separado una distancia de unos 120 000 años luz, aproximadamente el diámetro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

A pesar del distanciamiento, las dos estrellas estaban unidas gravitacionalmente. Así que cuando una de las dos explotó como una supernova y se convirtió en una estrella de neutrones, la otra estrella hizo lo mismo, antes de fusionarse finalmente varios cientos de millones de años después.

Estos raros fenómenos se caracterizan por la emisión de una intensa y breve ráfaga de rayos gamma (GRB), que habitualmente dura menos de dos segundos. La emisión deja tras de sí un rastro luminoso que desde la Tierra se observa como un objeto puntual que se va apagando y que va tornando (en el óptico) de un color azul a rojo al cabo de varias semanas.

El momento de los lantánidos

Las estrellas actúan como fábricas de elementos químicos a partir del hidrógeno y del helio. La nucleosíntesis estelar (lo que se cocina dentro de una estrella, como por ejemplo el Sol) explica la formación de los elementos de la tabla periódica menos pesados que el hierro (aparte de él mismo). Pero solo en fenómenos explosivos y extremadamente energéticos, como las supernovas o kilonovas, se generan las condiciones necesarias para la creación de buena parte de los elementos más pesados de la tabla periódica.

En el momento en que los dos objetos compactos que han originado la kilonova se fusionan, se sintetizan los elementos más pesados que el hierro. Y en los días siguientes se produce su desintegración radiactiva.

Dos meses después de la explosión

Salvo excepciones, no es habitual que se pueda observar la evolución de una kilonova más allá de unos pocos días. Se necesitan semanas y meses para revelar qué metales se forjan en la explosión y hasta la fecha nunca tuvimos la oportunidad de contemplar una kilonova durante tanto tiempo.

Gracias a diversos observatorios y telescopios de gran sensibilidad, tales como el Telescopio Espacial Hubble o el Telescopio Espacial James Webb, entre otros, hemos podido realizar un exhaustivo seguimiento de la kilonova asociada al GRB 230307A en diferentes longitudes de onda. Esto nos ha permitido caracterizar su evolución incluso hasta dos meses después de la explosión. Por primera vez hemos podido ver ante nuestros ojos metales más pesados que el hierro y la plata recién fabricados.

El análisis detallado de estas observaciones apunta a la producción de elementos pesados en el material expulsado tras la fusión.

Imagen obtenida por el telescopio Gemini South de 8,1m utilizada para el estudio. Cortesía Simone Dichiara (Penn State University)
Imagen obtenida por el telescopio Gemini South de 8,1m utilizada para el estudio. Cortesía de Simone Dichiara (Penn State University)

Las tierras raras

En el lote destaca especialmente la presencia de lantánidos, más conocidos como “tierras raras”, elementos químicos fundamentales en buena parte de nuestra tecnología actual.

La emisión observada en el infrarrojo medio procedente de GRB 230307A confirma la formación de elementos más pesados que el hierro mediante un rápido mecanismo de captura de neutrones, el llamado proceso r, que se da en condiciones de alta temperatura y densidad.

Este proceso también ha sido estudiado desde el punto de vista teórico y experimental por otros grupos españoles con notables avances.

Colaboración internacional

El artículo publicado en Nature está encabezado por Yuhan Yang, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Roma Tor Vergata, y Eleonora Troja, de la misma universidad.

Uno de los cometidos de nuestro equipo en España ha sido usar los datos ópticos aportados al estudio adquiridos mediante el telescopio SOAR, de 4,1 metros de diámetro situado en Chile.

El estudio confirma, sin género de dudas, el papel fundamental que juegan las kilonovas en la creación de elementos pesados en el universo, de tanta aplicación en muchos campos de la tecnología hoy día. Hemos confirmado el origen cósmico de los lantánidos.

The Conversation

Alberto J Castro-Tirado recibe fondos de la Agencia Estatal de Investigación (en concurrencia competitiva), perteneciente al Ministerio de Ciencia, Educación y Universidades.

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