Por Anabel Riveros

Las kilonovas son eventos astronómicos extraordinariamente energéticos y explosivos que resultan de la fusión de dos estrellas de neutrones, o de una estrella de neutrones con un agujero negro o con una enana blanca. Estos raros fenómenos se caracterizan por la emisión de una intensa y breve ráfaga de rayos gamma (GRB), habitualmente con una duración de menos de dos segundos. Un estudio recientemente publicado en la revista Nature ha confirmado el papel fundamental de las kilonovas en la producción de elementos pesados en el universo, especialmente los conocidos como “tierras raras” (lantánidos). Ese resultado fue obtenido por un equipo internacional de investigadores e investigadoras con la participación de un investigador del International Center for Advances Studies (ICAS) del Instituto de Ciencias Físicas de la Universidad de San Martín y CONICET.  

Es sabido que las estrellas actúan como “fábricas” de elementos químicos a partir del hidrógeno y del helio. Sin embargo, la nucleosíntesis estelar solo puede explicar la formación de elementos de la tabla periódica menos pesados que el hierro. Es en fenómenos explosivos y extremadamente energéticos, como las supernovas o kilonovas, donde se generan las condiciones necesarias para la creación de buena parte de los elementos más pesados de la tabla periódica.  

Yuhan Yang, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Roma Tor Vergata, y Eleonora Troja, profesora asociada a dicha universidad, encabezan este nuevo estudio que analiza la evolución temporal de las kilonovas y su implicación en la producción de elementos pesados.  

“En los primeros días, la evolución de una kilonova se caracteriza esencialmente por la desintegración radiactiva de los elementos más pesados que el hierro, y que han sido sintetizados durante la fusión de los dos objetos compactos que han originado el fenómeno”, explica Yuhan Yang, primer autor del trabajo que ahora se publica en Nature. “Durante las semanas y meses posteriores, lo esperable es que el comportamiento de la kilonova difiera según la composición tanto del material liberado como del remanente que queda tras la explosión”, concluye el investigador.  

Sin embargo, 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”, declara la Profesora Eleonora Troja, segunda autora del trabajo.  

Una kilonova rica en “tierras raras”

La kilonova objeto de estudio de la investigación que ahora se publica está relacionada con una ráfaga de rayos gamma observada el pasado 7 de marzo de 2023 (GRB 230307A), probablemente originada por el colapso de dos estrellas de neutrones situadas en una lejana galaxia a una distancia de unos 950 millones de años-luz de la Tierra.  

Gracias a diversos observatorios y telescopios de gran sensibilidad, tales como el Telescopio Espacial Hubble o el Telescopio Espacial James Webb, entre otros, los autores han podido realizar un exhaustivo seguimiento del evento en diferentes longitudes de onda. Esto les ha permitido caracterizar la evolución de la kilonova incluso hasta dos meses después de la explosión. “Esta es la primera vez que hemos podido comprobar que metales más pesados que el hierro y la plata estaban recién fabricados frente a nosotros”, afirma la Profesora Eleonora Troja.  

El análisis detallado de estas observaciones apunta a la producción de elementos pesados en el material expulsado tras la fusión. 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 proceso de captura de neutrones, el llamado proceso r”, explica el Profesor Alberto J. Castro-Tirado, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), también coautor del artículo, junto a los investigadores Ignacio Pérez-García y Youdong Hu, de la misma institución. 

Según Martín Makler, investigador de la UNSAM, una pieza clave en este estudio fue la utilización de datos obtenidos  en el infrarrojo pocos días después de la explosión de rayos gamma por el telescopio SOAR de 4,1 metros de diámetro situado en Chile. “Como teníamos un programa de observaciones activo usando ese telescópio, pudimos apuntar el instrumento y usar una cámara infrarroja para estudiarlo. De hecho fuimos los primeros observar el objeto en ese rango, con lo que se pudo obtener su localización precisa en el cielo”. Makler explica que ese evento fue extraordinário “fue uno de los estallidos gamma con mayor luminosidad observado desde la Tierra en toda la historia. Gracias a ello lo pudimos estudiar en mas detalles. Nuestro equipo en realidad estaba preparado para buscar kilonovas descubiertas a partir de ondas gravitacionales, pero este evento excepcional hizo que valiera la pena usar ese telescópio para estudiarlo.” 

Los equipos de Makler y Castro-Tirado han sido corresponsables de los datos ópticos aportados al estudio adquiridos mediante el telescopio SOAR. “Este estudio confirma sin género de dudas el papel fundamental que juegan las kilonovas en la creación de elementos pesados en el universo” concluye Castro-Tirado.  

La participación de la UNSAM

La participación de la Universidad, usando uno de los telescópios más modernos del mundo, fue posible a partir de las colaboraciones internacionales, especialmente con Brasil, que detiene al rededor de 30% del tiempo de SOAR. El estudio contó también con la participación de Clécio Bom, ex-alumno de doctorado de Makler e investigador de Centro Brasileño de Investigaciones en Física (CBPF), institución de origen de Makler antes de instalarse en Argentina. 

“Hace años venimos usando el SOAR y otros telescópios, como el Gemini (que también tiene participación argentina) para estudiar lentes gravitacionales y para buscar señales ópticas de fenómenos que producen ondas gravitacionales, pero es la primera vez en que nuestro grupo miró a un GRB. Ahora vamos a usar telescópios de CASLEO, en Argentina, para estudiar otro tipo de fenómeno transiente, llamado de microlentes”, concluye Makler.