Científicos que realizan pruebas de fusión nuclear en las profundidades de una montaña descubren los secretos de las primeras estrellas

Por • 26 nov, 2022 • Sección: Ciencia y tecnología

Por  Becky Ferreira

26 de octubre de 2022. Los científicos han abierto una ventana sin precedentes hacia las primeras estrellas del universo mediante la realización de experimentos de fusión nuclear en un laboratorio subterráneo ubicado a 1,5 millas bajo las montañas Jinping de China, informa un nuevo estudio. 

Los resultados resuelven un misterio de larga data sobre una de las estrellas más antiguas jamás descubiertas, al tiempo que arrojan nueva luz sobre las turbias reacciones que impulsaron a los ancestros de todas las estrellas modernas. 

Una de las mayores misiones de la astronomía es  observar directamente las primeras estrellas  que brillaron en el cosmos, conocidas como «población III». Los científicos creen que esta generación inicial de estrellas surgió entre 100 y 250 millones de años después del Big Bang, antes de quemarse rápidamente y explotar como supernovas enormes.

Las estrellas de la Población III nunca han sido vistas por humanos, pero los científicos han visto  estrellas que nacieron de las cenizas  de estos ancianos estelares. Una de esas estrellas, llamada SMSS0313-6708, ha estado brillando durante la asombrosa cantidad de 13.600 millones de años, lo que la convierte en una de las estrellas más antiguas jamás vistas. Ubicada a solo 6.000 años luz de la Tierra, la antigua estrella ha desconcertado a los científicos porque contiene una concentración del elemento calcio más alta de lo esperado para una estrella del universo primitivo.

Ahora, los científicos dirigidos por Liyong Zhang, investigador de la Universidad Normal de Beijing, han recreado una importante reacción nuclear que facilita la producción de elementos más pesados, como el calcio, en estrellas antiguas. El equipo realizó el experimento dentro del Laboratorio Subterráneo Jinping de China (CJPL), un túnel subterráneo ubicado bajo 2400 metros de roca vertical, que es el laboratorio operativo más profundo para experimentos de física nuclear y de partículas en el mundo. 

Zhang y sus colegas descubrieron que una reacción particular, que produce una versión del elemento neón, podría ser 7,4 veces más común en estrellas de población III en comparación con estimaciones anteriores. El hallazgo explica el alto contenido de calcio de SMSS0313-6708 y proporciona una medida actualizada de esta «reacción crucial» que ha sido «anteriormente inaccesible en los laboratorios de superficie», según  un estudio publicado el miércoles  en  Nature . 

“Las estrellas son las fraguas nucleares del cosmos, responsables de la creación de la mayoría de los elementos más pesados que el helio en el Universo”, dijo el equipo de Zhang en el estudio. “Algunos de estos elementos se crean en el corazón de las estrellas a lo largo de miles de millones de años, mientras que otros se forman en solo unos segundos durante la muerte explosiva de estrellas masivas”. 

“Estos elementos pesados tienen un papel importante en el Universo, permitiendo la formación de moléculas complejas y polvo, que facilitan el enfriamiento y la condensación de las nubes moleculares, ayudando a la formación de nuevas estrellas como nuestro Sol”, continuaron los investigadores. “La primera generación de estrellas, denominadas estrellas de la población III (pop III) o estrellas primordiales, formadas a partir de la materia prístina dejada por el Big Bang, juega así un papel especial en la siembra del Universo con los primeros elementos pesados y en la creación de las condiciones adecuadas para el futuro. generaciones de estrellas y galaxias.”  

En otras palabras, cada nueva generación de estrellas se enriquece con los metales pesados producidos por sus ancestros, luego paga el ciclo al sembrar el universo con un nuevo lote de elementos pesados complejos. Las estrellas de la Población III estaban compuestas casi en su totalidad por los elementos ligeros hidrógeno y helio, pero sus muertes explosivas crearon elementos más pesados que se incorporaron a estrellas como SMSS0313-6708.

«SMSS0313-6708 es una estrella ultra pobre en metales que se especula que es descendiente directa de la primera generación de estrellas en el Universo que se formó después del Big Bang», señaló el equipo de Zhang. “La composición observable de una estrella ultrapobre en metales es una cápsula del tiempo para el medio ambiente antes de que se formaran las primeras galaxias, lo que complementa las próximas observaciones emocionantes del Telescopio Espacial James Webb, que ahora tiene como objetivo dar un primer vistazo a las primeras estrellas. y galaxias.”

La tarea que tenían entre manos los científicos era aprovechar la ubicación subterránea del laboratorio, que lo protege de la radiación cósmica que llega a la Tierra y se mete con instrumentos precisos, para investigar las reacciones de fusión nuclear. 

Estudios previos han identificado al flúor-19, que es un isótopo (o versión) del elemento ligero flúor, como un actor importante en el interior de las estrellas antiguas. Cuando el flúor-19 es golpeado por un protón, un tipo de partícula subatómica, puede sufrir dos tipos de reacciones que tienen impactos muy diferentes en la producción de sustancias químicas dentro de estas fraguas estelares. Una reacción produce un isótopo de oxígeno, mientras que otra produce el isótopo neón-20 y un rayo gamma. La primera reacción esencialmente hace que la producción vuelva a hacer elementos más livianos, mientras que la reacción que produce neón-20 provoca un mecanismo de «ruptura» que permite a las estrellas forjar elementos más pesados. 

La mayoría de los estudios han sugerido que la reacción de ruptura es unas 4.000 veces más débil que la reacción del oxígeno con respecto a la producción de elementos en las estrellas, que es un proceso llamado nucleosíntesis. El equipo de Zhang pudo probar experimentalmente esta idea en las condiciones únicas del CJPL, disparando protones al flúor-19 sin molestas interrupciones de la radiación natural. Los resultados mostraron que las reacciones de ruptura fueron mucho más fuertes de lo esperado y podrían explicar el contenido de calcio observado en SMSS0313-67086.

«Nuestros modelos estelares muestran una ruptura más fuerte durante la quema de hidrógeno estelar de lo que se pensaba anteriormente, y pueden revelar la naturaleza de la producción de calcio en las estrellas de la población III impresas en la estrella ultra-pobre en hierro más antigua conocida, SMSS0313-67086″, dijo el equipo. “ Nuestro índice muestra el efecto que las supernovas estelares débiles de la población III pueden tener en la nucleosíntesis observada en las estrellas más antiguas conocidas y las primeras galaxias, que son objetivos clave de la misión del Telescopio Espacial James Webb. ”  

“Encontramos que todos nuestros modelos de nucleosíntesis pueden reproducir la producción de calcio observada”, agregó el investigador.

De esta manera, los experimentos que se llevaron a cabo en las profundidades de la Tierra han expuesto los turbios mecanismos que gobiernan la producción de elementos en las profundidades de las estrellas, incluida la misteriosa población III generación. Como señala el equipo de Zhang, los observatorios sofisticados, incluido el Telescopio Espacial James Webb, agregarán más detalles a este retrato emergente de los interiores estelares, y tal vez revelen la primera luz estelar que iluminó los cielos en el universo primitivo.  

https://www.vice.com/amp/en/article/v7vx93/scientists-conducting-nuclear-fusion-tests-deep-under-a-mountain-discover-secrets-of-first-stars

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