¿ESTAMOS MIDIENDO MAL EL UNIVERSO?

Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital

Creado: 14.11.2024

El estudio de estrellas masivas y supernovas es uno de los pilares para entender la formación de elementos en el universo. Estos cuerpos celestes actúan como fábricas de elementos pesados que son esparcidos a través del medio interestelar durante las explosiones de supernovas. Entre los productos más importantes de estas explosiones se encuentran isótopos radiactivos como el hierro-60 (60-Fe) y el aluminio-26 (26-Al), que sirven como marcadores de procesos nucleares, esos de donde sacan su energía las estrellas. Sin embargo, un estudio reciente ha señalado discrepancias entre las observaciones de rayos gamma de estos isótopos y los modelos teóricos existentes, lo que plantea preguntas importantes sobre la precisión de nuestros modelos astrofísicos actuales.

El nuevo artículo, publicado en Nature Communications, detalla experimentos que han proporcionado nuevas restricciones sobre la producción de hierro-60 en estrellas masivas. El equipo de investigadores ha descubierto que la producción de este isótopo es significativamente mayor a lo predicho por los modelos teóricos. Esto sugiere que las discrepancias entre los datos observacionales y las predicciones no pueden explicarse solo por la física nuclear, sino que hay errores fundamentales en la descripción de las estrellas masivas.

El ratio de isótopos 60-Fe / 26-Al ha sido utilizado durante décadas como una herramienta para evaluar la precisión de los modelos de supernovas y entender la evolución estelar. El aluminio-26 se produce en las capas exteriores de las estrellas, mientras que el hierro-60 se origina principalmente en las capas internas y es liberado solo durante una explosión de supernova. Por lo tanto, este ratio proporciona información directa sobre los procesos nucleares y el comportamiento de las estrellas masivas.

En las observaciones realizadas con telescopios de rayos gamma, el ratio 60-Fe / 26-Al observado ha sido consistentemente menor que el predicho por los modelos. Esta discrepancia había sido atribuida inicialmente a incertidumbres en las reacciones nucleares, especialmente la captura de neutrones en 59-Fe. Sin embargo, el reciente experimento presentado en el estudio revela que la producción de 60-Fe es mayor de lo esperado, lo que agrava aún más la discrepancia. El problema parece radicar en los modelos de las estrellas masivas, que podrían estar simplificando en exceso factores como la rotación estelar y la mezcla interna.

En 2020, un análisis exhaustivo de 15 años de datos del telescopio espacial INTEGRAL aportó información crucial sobre la emisión de rayos gamma de los isótopos hierro-60 (60Fe) y aluminio-26 (26Al). El estudio reportó que el ratio observado de 60-Fe / 26-Al era de aproximadamente 18.4%, un valor que seguía sin coincidir con las predicciones teóricas. Los modelos astrofísicos de la época predecían ratios más altos, lo que reveló una discrepancia significativa entre la teoría y las observaciones. Esta diferencia subrayó las limitaciones en la capacidad de los modelos para representar con precisión los procesos de nucleosíntesis en estrellas masivas.

El estudio también aportó evidencia de diferencias en la distribución galáctica de estos isótopos. Mientras que el 26-Al se distribuía de manera más extendida, reflejando su asociación con la población general de estrellas masivas, el 60-Fe mostró una concentración mayor hacia el plano galáctico. Este patrón de emisión distinto indicaba que los isótopos podrían no compartir las mismas fuentes o ser afectados de manera diferente por los procesos estelares. Estos resultados pusieron en duda la hipótesis de que ambos isótopos provienen de los mismos mecanismos nucleares.

A pesar de haber pasado cuatro años desde su publicación, los resultados siguen siendo relevantes para el debate actual sobre los modelos de evolución estelar. La persistente discrepancia en el ratio 60-Fe / 26-Al no parece ser explicable únicamente por las incertidumbres nucleares; más bien, apunta a una descripción incompleta de la física estelar en los modelos. Factores como la rotación estelar, la pérdida de masa y la explodabilidad de las estrellas han demostrado ser aspectos críticos que necesitan revisión.

El telescopio espacial INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), lanzado en 2002 por la Agencia Espacial Europea (ESA), es uno de los instrumentos más avanzados dedicados a la observación de rayos gamma en el espacio. Fue desarrollado en colaboración con la NASA y la Roscosmos. A diferencia de otros telescopios espaciales, INTEGRAL está diseñado específicamente para detectar las emisiones de alta energía que resultan de la desintegración de isótopos radiactivos y de procesos astrofísicos extremos, como explosiones de supernovas y agujeros negros activos. Equipado con cuatro instrumentos principales —incluyendo detectores de rayos gamma y rayos X—, INTEGRAL ofrece una cobertura del espectro electromagnético que va desde los rayos X duros hasta los rayos gamma de alta energía. Su alta sensibilidad le permite identificar y mapear con precisión la distribución de isótopos radiactivos como el hierro-60 (60Fe) y el aluminio-26 (26Al), elementos que sirven como trazadores de los procesos de nucleosíntesis en estrellas masivas.

La importancia de INTEGRAL radica en su capacidad para observar directamente la radiación gamma emitida por estos isótopos en diferentes regiones de la galaxia. Ha permitido observar explosiones de supernovas en tiempo real, aportando datos clave para entender la dinámica de estos eventos y los procesos asociados a la formación de agujeros negros y estrellas de neutrones. El telescopio también ha detectado fenómenos inesperados, como las misteriosas emisiones de rayos gamma en el centro galáctico, lo que ha generado nuevas líneas de investigación sobre la materia oscura y otros procesos exóticos. Después de más de dos décadas en órbita, INTEGRAL sigue siendo una herramienta fundamental para desentrañar los misterios de los fenómenos más extremos del universo.

Los resultados del estudio tienen implicaciones significativas para el campo de la astrofísica. Los modelos teóricos actuales, que han sido utilizados para predecir la formación y evolución de elementos pesados en estrellas masivas, podrían necesitar una revisión completa. Si la producción de 60-Fe es mayor de lo estimado, esto afecta no solo las predicciones del ratio 60-Fe / 26-Al, sino también nuestras interpretaciones sobre el ciclo de vida de las estrellas y su impacto en el medio interestelar.

Estos hallazgos pueden influir en áreas como la detección de ondas gravitacionales y el estudio de las explosiones de supernovas. Los modelos actuales asumen una cierta cantidad de elementos pesados eyectados durante estas explosiones, pero si la producción de 60-Fe es mayor, esto podría alterar las predicciones sobre la masa final de los restos estelares, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros.

Una de las hipótesis iniciales para explicar la discrepancia en el ratio 60-Fe / 26-Al era la incertidumbre en las reacciones nucleares, específicamente la reacción de captura de neutrones en 59-Fe, conocida como 59Fe(n,γ)60Fe. Este proceso es crucial porque determina cuánto hierro-60 se produce durante la evolución estelar. El nuevo estudio utilizó técnicas experimentales avanzadas, como el método β-Oslo, para medir con mayor precisión esta reacción.

Los resultados mostraron que la sección transversal de la reacción, o la probabilidad de que ocurra, es significativamente más alta que en estudios previos. Esto significa que se está produciendo más hierro-60 del que se había estimado, lo que elimina una de las principales fuentes de incertidumbre. Sin embargo, esta corrección hace que el desajuste entre observaciones y modelos sea aún mayor, lo que indica que el problema no reside solo en las reacciones nucleares, sino en la física estelar subyacente.

La persistente discrepancia en el ratio 60-Fe / 26-Al sugiere que hay problemas fundamentales en cómo se modelan las estrellas masivas. Los modelos actuales suelen simplificar factores importantes como la rotación estelar, la mezcla interna y la pérdida de masa a través de vientos estelares. Estos factores pueden tener un impacto significativo en la producción de isótopos como el hierro-60.

Por ejemplo, la rotación estelar aumenta la mezcla interna, lo que afecta la formación de elementos pesados. Si los modelos subestiman la velocidad de rotación de las estrellas masivas, podrían estar subestimando también la cantidad de hierro-60 producido. Del mismo modo, la mezcla interna, que redistribuye elementos dentro de la estrella, podría estar ocurriendo de manera diferente a lo que los modelos actuales asumen.

Si bien gran parte del debate se ha centrado en posibles fallos en los modelos teóricos, no se puede descartar que las discrepancias observadas sean resultado de limitaciones en las mediciones de rayos gamma. Detectar las emisiones de 60Fe y 26Al requiere instrumentos extremadamente sensibles, como el telescopio INTEGRAL, que deben filtrar señales débiles entre el ruido cósmico y la radiación de fondo. Estos datos pueden estar afectados por varios factores:Ruido instrumental y de fondo: Las mediciones de rayos gamma están sujetas a niveles elevados de ruido cósmico y fondo instrumental. El telescopio INTEGRAL, por ejemplo, puede tener problemas a la hora de distinguir señales de isótopos radiactivos en un entorno con radiación de fondo significativa. Si el proceso de filtrado de estas señales no es perfecto, podría llevar a una subestimación o sobreestimación de la cantidad de 60-Fe detectado.

Problemas de calibración y resolución del telescopio: La resolución y sensibilidad de los telescopios de rayos gamma, aunque han mejorado con el tiempo, aún presentan limitaciones. Los márgenes de error en la calibración pueden introducir sesgos en los datos obtenidos, afectando las mediciones del ratio 60-Fe / 26-Al. Por ejemplo, la superposición de líneas espectrales cercanas, como las del cobalto-60 (60-Co) activado en los instrumentos, puede contaminar las señales de hierro-60.

Efectos de absorción y dispersión en el medio interestelar: La radiación gamma emitida por los isótopos radiactivos puede ser absorbida o dispersada por el gas y polvo interestelar antes de llegar a los telescopios. Si estos efectos no se corrigen adecuadamente en los análisis, las mediciones podrían no reflejar la cantidad real de isótopos presentes. Esto podría explicar por qué las observaciones a veces muestran ratios más bajos que los predichos por los modelos teóricos.

Aunque los modelos de evolución estelar requieren mejoras para explicar de manera más precisa la producción de isótopos como el hierro-60, también es necesario tener en cuenta las posibles limitaciones de las observaciones. La combinación de errores en ambos lados —teóricos y observacionales— sugiere que la solución a esta discrepancia probablemente requerirá tanto ajustes en los modelos astrofísicos como mejoras en los métodos de detección y análisis de datos.

Spyrou, A., et al. (2024). Enhanced production of 60Fe in massive stars. Nature Communications, 15, 9608. https://doi.org/10.1038/s41467-024-54040-4.