Astrofísica nuclear explosiva

El análisis del contenido de los meteoritos ha sido crucial para avanzar en el conocimiento del origen y la evolución de nuestro sistema solar. Algunos meteoritos también contienen granos de polvo estelar. Estos granos son anteriores a la formación de nuestro sistema solar y ahora están proporcionando importantes conocimientos sobre cómo se formaron los elementos en el universo.

Trabajando en colaboración con un equipo internacional, los físicos nucleares del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han hecho un descubrimiento clave relacionado con el análisis de los "granos presolares" encontrados en algunos meteoritos. Este descubrimiento ha arrojado luz sobre la naturaleza de las explosiones estelares y el origen de los elementos químicos. También ha proporcionado un nuevo método para la investigación astronómica.

"Estos pequeños granos presolares, de aproximadamente una micra de tamaño, son el residuo de explosiones estelares en el pasado lejano, mucho antes de que existiera nuestro sistema solar", dijo Dariusz Seweryniak, físico nuclear experimental de la división de Física de Argonne. Algunos residuos estelares de las explosiones acabaron incrustados en meteoritos que se estrellaron contra la Tierra.

Las principales explosiones estelares son de dos tipos. Una llamada "nova" involucra un sistema estelar binario, donde una estrella principal está orbitando una estrella enana blanca, una estrella extremadamente densa que puede ser del tamaño de la Tierra pero que tiene la masa de nuestro Sol. La materia de la estrella principal es continuamente arrancada por la enana blanca debido a su intenso campo gravitatorio. Esta materia depositada ocasiona una explosión termonuclear cada 1.000 a 100.000 años, y la enana blanca expulsa el equivalente a la masa de más de treinta Tierras al espacio interestelar. En una "supernova", una sola estrella que colapsa explota y eyecta la mayor parte de su masa.

El instrumento GRETINA en el sistema ATLAS. (Foto: Argonne National Laboratory)

Las novas y las supernovas son el origen de las erupciones estelares más frecuentes y violentas de nuestra Galaxia, y por eso han sido objeto de intensas investigaciones astronómicas durante décadas. Se ha aprendido mucho de ellas, por ejemplo, sobre el origen de los elementos más pesados.

"Una nueva forma de estudiar estos fenómenos es analizar la composición química e isotópica de los granos presolares de los meteoritos", explicó Seweryniak. "De particular importancia para nuestra investigación es una reacción nuclear específica que ocurre en novas y supernovas – la captura de protones en un isótopo de cloro - que solo podemos estudiar indirectamente en el laboratorio".

Al realizar su investigación, el equipo se convirtió en pionero en un nuevo enfoque para la investigación astrofísica. Implica el uso del instrumento Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Array (GRETINA) acoplado al analizador Fragment Mass Analyzer at the Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), una instalación para usuarios de física nuclear de la Oficina de Ciencia del DOE. GRETINA es un sistema de detección de última generación capaz de trazar la trayectoria de los rayos gamma emitidos por las reacciones nucleares. Es uno de los dos únicos sistemas de este tipo en el mundo.

Usando GRETINA, el equipo completó el primer estudio detallado de espectroscopia de rayos gamma de un núcleo de un isótopo de importancia astronómica, el argón-34. A partir de los datos, calcularon la velocidad de reacción nuclear que implica la captura de protones en un isótopo de cloro (cloro 33).

"A su vez, pudimos calcular las proporciones de varios isótopos de azufre producidos en explosiones estelares, lo que permitirá a los astrofísicos determinar si un grano presolar en particular tuvo su origen en una nova o una supernova", dijo Seweryniak. El equipo también aplicó los datos adquiridos para comprender mejor la síntesis de los elementos en las explosiones estelares.

El equipo está planeando continuar su investigación con GRETINA como parte de un esfuerzo mundial para alcanzar una comprensión integral de la nucleosíntesis de los elementos en las explosiones estelares. (Fuente: NCYT Amazings)