diciembre 2, 2022

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La colisión de estrellas de neutrones resultó en tierras raras: primera detección de lantano y cerio en el espectro de una kilonova

¿Cómo se formaron los elementos pesados ​​en nuestro universo? Para los metales de tierras raras lantano y cerio, una colisión de estrellas de neutrones proporciona ahora la solución. Los investigadores ahora han descubierto las firmas de estos lantánidos en su espectro por primera vez. Esto confirma que las interacciones de captura de neutrones necesarias para átomos tan pesados ​​ocurren solo en eventos cósmicos extremos. El torio actínico también podría producirse en las colisiones de estrellas de neutrones, pero la evidencia es menos clara.

Poco después del Big Bang, solo había hidrógeno y un poco de helio y litio en el universo. elementos químicos más pesados formado Solo a través de la fusión nuclear dentro de las primeras estrellas, gigantes rojas y supernovas. Sin embargo, estos procesos ya no son suficientes para átomos del grupo de los lantánidos y actínidos y para pesos más pesados ​​de bismuto con número atómico 83 y más. Estos elementos solo pueden crearse mediante la captura de neutrones rápidos de alta energía, o el llamado proceso r.

Hace tiempo que no está claro en qué parte del universo tiene lugar este proceso r. Pero como astrónomos en 2017, por primera vez colisión de una estrella de neutrones Grabado con telescopios y detectores de ondas gravitacionales, pudieron detectar las huellas dactilares espectrales de oro, platino y estroncio en la nube de explosión. arreglar Elementos que se crean solo a través de la captura rápida de neutrones.

Firmas espectrales observadas (gris) y modeladas (azul) de elementos pesados ​​en una colisión de estrellas de neutrones. © Nana Domoto et al.

Búsqueda cósmica de metales de tierras raras

Ahora, por primera vez, los científicos también han identificado la firma de metales de tierras raras en el espectro de colisión de estrellas de neutrones. Hasta ahora no estaba claro cómo se verían las líneas espectrales de los elementos del grupo de los lantánidos y los actínidos en tales explosiones de kilonova y si podrían observarse en absoluto. “Para obtener información elemental de los espectros, primero se necesitan datos atómicos espectroscópicamente precisos”, explican Nana Domoto de la Universidad de Tohoku en Japón y sus colegas.

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Para su estudio, los investigadores primero analizaron la estructura y los niveles de energía de las capas de electrones de los elementos desde el estroncio hacia arriba. Usando un modelo, determinaron los estados de energía y, por lo tanto, las líneas espectrales esperadas de estos átomos en las condiciones de una colisión de estrellas de neutrones.

¿Qué elementos serán visibles en el espectro?

El resultado: “Solo unos pocos elementos con números atómicos del 38 al 88, incluidos el estroncio, el iterbio, el zirconio, el bario, el lantano y el cerio, pueden producir fuertes huellas dactilares de absorción en tales espectros”, informan Domoto y sus colegas. Según esto, los elementos de los grupos II a IV de la tabla periódica son especialmente visibles porque tienen una cantidad relativamente pequeña de electrones externos y bajos niveles de energía.

Con base en estos resultados, los investigadores modelaron la longitud de onda del espectro en el que se encuentran las líneas de estos elementos y en qué etapa del resplandor de una colisión de estrellas de neutrones serán más notables. Esto mostró que las líneas de absorción de iterbio y circonio, pero también de los metales de tierras raras lantano y cerio, deberían estar en el rango del infrarrojo cercano.

Evidencia clara de lantano y cerio

Cuando los investigadores buscaron estas líneas espectrales en los datos infrarrojos de la colisión de estrellas de neutrones de 2017, en realidad encontraron lo que estaban buscando: aparecieron líneas en los espectros observados que coincidían bien con las firmas espectrales de lantano y cerio previamente simuladas en el modelo. . También pudieron identificar los efectos potenciales del torio, el iterbio y el circón. “Esta es la primera detección directa de metales de tierras raras en el espectro de colisiones de estrellas de neutrones”, dice Domoto.

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El equipo incluso pudo estimar aproximadamente la cantidad de lantano y cerio que se formaron en la colisión de las estrellas de neutrones GW17081. En consecuencia, la fracción de masa del lantano es una millonésima, mientras que la fracción de masa del cerio es de una a 100 partes por mil. “Esta es la primera estimación espectroscópica de la abundancia de lantánidos en una eyección de impacto de una estrella de neutrones”, dicen Domoto y sus colegas.

Los investigadores esperan que su método permita detectar otros elementos pesados ​​en colisiones de estrellas de neutrones y otros eventos cósmicos extremos en el futuro. “Esto nos ayuda a comprender cómo se forman los elementos del universo”, dice Domoto. (Diario astrofísico, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac8c36)

Fuente: Centro de Astrofísica Computacional