nucleosíntesis de supernova

En un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

Una estrella de neutrones es lo que queda después de la explosión de una estrella masiva. Su materia está tan comprimida que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas. En tales condiciones, los protones y neutrones pueden reorganizarse y aparecen nuevas partículas: los hiperones, similares a los neutrones pero que contienen un quark 'extraño'.

Cuando una estrella masiva explota como supernova, en su interior se forjan núcleos pesados en cuestión de segundos. Entre ellos está el titanio-44, un isótopo radiactivo que durante años emite rayos gamma. Cuánto de él sobrevive depende de una reacción nuclear: un protón es capturado por el núcleo de vanadio-45 y lo convierte en cromo-46.

Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que explotó, comprimido tan fuertemente que una cucharadita de su materia pesaría como una montaña. Dentro de ese objeto, los protones y neutrones están empaquetados muy juntos, y bajo una presión enorme pueden aparecer hiperones —partículas que contienen un quark extraño.

Una peonza gira tan rápido que el aire a su alrededor comienza a moverse al unísono. Algo similar hace un agujero negro: si rota, puede transferir su energía a las partículas que se encuentren cerca. Este proceso se llama superradiancia — se parece a un eco en las montañas, pero en lugar de sonido, se crean nuevas partículas.

En la lejana galaxia del Cigarro hay un faro insólito. No brilla en el sentido habitual: sus rayos nacen en una nube ardiente alrededor de un agujero negro que devora la materia de una estrella compañera. Estos objetos se denominan fuentes ultraluminosas de rayos X. Su fulgor en rayos X es tan intenso que eclipsa a galaxias enteras.

Una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa en fracciones de segundo. Nace una supernova y, con ella, una lluvia breve pero intensa de neutrinos. Estas partículas apenas interactúan con la materia, por lo que escapan libremente llevando información sobre la catástrofe.

La explosión de una supernova desprende las capas externas de la estrella moribunda. Queda el núcleo: una estrella de neutrones, compactada en una esfera del tamaño de una ciudad. La existencia de estas estrellas fue predicha ya en 1934 por Fritz Zwicky.

El colapso del núcleo de una estrella se parece a la compresión de un muelle: la materia cae hacia dentro y en el centro nace una estrella de neutrones. Pero la caída nunca es perfectamente uniforme. En las capas exteriores hirvientes, los remolinos aleatorios transmiten rotación al gas que cae — y alrededor del objeto central se arremolina un disco.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

En junio de 2024, el radiotelescopio CHIME registró desde la fuente FRB 20240114A más de 700 estallidos de radio por hora. Este repetidor hiperactivo libera en una hora casi toda la energía magnética de un magnetar común (estrella de neutrones con campo ultraintenso).

En el centro de muchas galaxias no solo se esconden agujeros negros supermasivos, sino también enormes nubes de materia invisible. Si esta materia está compuesta por partículas ultraligeras, puede agruparse en densos cúmulos, una especie de «estrellas» de materia oscura.

En el centro de cada átomo hay un núcleo: una densa esfera de protones y neutrones. Estas partículas no se amontonan al azar, sino que llenan niveles de energía estrictos, como pisos en un rascacielos. Cuando un piso está completamente ocupado, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos lo llaman número mágico. El más pesado de estos números en núcleos estables es 126 neutrones.

Una vieja fábrica donde, en lugar de máquinas, hay núcleos atómicos y el entorno hierve con radiación de neutrinos. Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo se comprime cien veces y la temperatura se dispara a miles de millones de grados.

Dos esferas ultradensas, cada una del tamaño de una ciudad, giran en una danza. Su masa es menor que la solar, pero en su interior hay materia comprimida hasta límites inimaginables. Una esfera es una estrella de neutrones; la otra, una estrella extraña, compuesta enteramente de quarks (las partículas elementales que forman protones y neutrones).

Cuando dos estrellas de neutrones — los núcleos superdensos de astros muertos — colisionan, nace una kilonova: una explosión mil veces más brillante que una nova ordinaria. Es un auténtico taller de fundición del Universo.

Un bebé caliente y un adulto frío: la misma estrella de neutrones se ve diferente. Apenas nace en la explosión de una supernova, está al rojo vivo a decenas de miles de millones de grados. Pero con el tiempo se enfría y se contrae, como un metal que se encoje al enfriarse. Para la estrella PSR J1012+5307, esta transición significa una reducción del radio de casi el doble.

La colisión de dos estrellas de neutrones es una fragua cósmica donde, en cuestión de segundos, se forjan los elementos más pesados de la tabla periódica. En 2017, los detectores captaron ondas gravitacionales de una fusión de este tipo, y los telescopios vieron un destello: una kilonova.

Una olla de papilla hirviendo a fuego fuerte: las burbujas sacan los granos del fondo a la superficie. Un mecanismo similar funciona en una estrella de neutrones. Al acumular hidrógeno y helio de una estrella vecina, de vez en cuando produce una poderosa explosión nuclear: un destello de rayos X.

Los fuelles de herrero avivan el fuego expulsando aire bruscamente. En el espacio, ese papel lo desempeña la onda de choque de una supernova — concepto introducido por Fritz Zwicky: alcanza la gigantesca burbuja de partículas cargadas y campos magnéticos formada alrededor de una estrella…

El Universo está lleno de lo invisible. Sabemos de la materia oscura por la rotación de las galaxias y las lentes gravitacionales, pero su naturaleza se nos escapa desde hace un siglo.

Una estrella de neutrones es una lente gravitacional donde se enfocan nuestros intentos de vislumbrar la materia oscura. A través de su materia superdensa, como a través de un exótico cristal, buscamos el axión, una partícula esquiva capaz de explicar la masa oculta del Universo.

En algún lugar del bulbo galáctico duerme una estrella masiva, lista para cambiar su apacible combustión por un colapso. Su núcleo agotará el combustible y, en una fracción de segundo, nacerá una estrella de neutrones o un agujero negro, expulsando 10⁵⁸ neutrinos —casi toda la energía de la explosión—.

Dos estrellas agotadas del tamaño de la Tierra — pero cada una más pesada que el Sol — giran cada vez más cerca hasta que una choca contra la otra. El impacto desencadena una explosión termonuclear y nace una supernova de tipo Ia. Estos destellos sirven como faros cósmicos para medir distancias en el universo. Sin embargo, los detalles de su origen aún son motivo de debate.

Una olla de gachas hirviendo donde, en lugar de grano, hay capas de oxígeno y silicio, y el fuego debajo está a punto de apagarse, y la estrella colapsará sobre sí misma.

Una bombilla que no se funde, sino que brilla cada vez más hasta destrozar la lámpara entera. Así mueren las estrellas más masivas del universo. Cuando el núcleo de una estrella se calienta a miles de millones de grados, comienzan a crearse pares de partículas: electrones y sus antipartículas, los positrones.

Un intérprete en una negociación importante cambia de idioma de repente, y el sentido de lo dicho se transforma por completo. Algo así hacen los neutrinos en las entrañas de una estrella moribunda. Estas partículas invisibles nacen en cantidades enormes cuando el núcleo estelar se comprime hasta quedar del tamaño de una ciudad.

Cuando el cometa interestelar 3I/ATLAS se acercó al Sol, su cola resplandeció con un brillo metálico, como si se abriera una lata de conserva llena de níquel y hierro. Al descomponer la luz en colores, los astrónomos detectaron las líneas de estos metales mediante el análisis espectral.

Un intérprete que, a mitad de camino por la sala, de repente empieza a transmitir el mensaje al revés. Algo así podría hacer un neutrino —esa partícula fantasma que apenas interactúa con la materia— si en su camino se encuentra con una nube de materia oscura ultraligera.

Las estrellas decenas de veces más pesadas que nuestro Sol no mueren como se pensaba. Las simulaciones por computadora revelaron que su núcleo a menudo no detona como supernova, sino que colapsa rápidamente en un agujero negro.

El láser golpea un blanco de alambres delgados y, en decenas de femtosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), arranca de ellos un flujo de protones. Estos protones entran en un convertidor de litio y deuterio, donde nacen los neutrones.

Un cuchillo de cocina común de niobio, a −258 °C, de repente empieza a conducir la electricidad sin pérdidas. Así funciona la superconductividad, y se puede "activar" directamente en la superficie del metal si se dispara un láser en una atmósfera de nitrógeno.

Una estrella de neutrones es el resto de una estrella que explotó, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. En su superficie a veces estalla un incendio termonuclear: el gas acumulado explota como una bomba de hidrógeno gigante. Tras la llamarada queda ceniza: una mezcla de elementos pesados que asciende a la superficie y forma una atmósfera caliente.

Un potente reflector ilumina una niebla espesa. El haz en sí no se ve, pero la niebla comienza a brillar débilmente, delatando la presencia del reflector.

Chocar dos núcleos de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones es como lanzarse mutuamente dos bolsas pesadas llenas de canicas. Normalmente las canicas salen disparadas en todas direcciones, pero a veces una bolsa pasa tan cerca que las canicas no chocan, solo se cruzan miradas.

La densidad en el centro de una estrella de neutrones es tal que una cucharadita de su materia pesaría como una montaña. Los físicos llevan mucho tiempo intentando entender cuán masiva puede ser una estrella así antes de colapsar en un agujero negro.

Los diminutos agujeros negros que surgieron justo después del nacimiento del universo deberían evaporarse, desprendiendo masa en forma de partículas invisibles. Esto fue predicho por Stephen Hawking, y esta «evaporación de Hawking» contribuyó a la expansión del joven cosmos.

En el interior de una estrella masiva, antes de la explosión, las capas se apilan unas sobre otras como las capas de una cebolla. A veces, dos capas adyacentes, la de carbono y la de oxígeno, se mezclan. Es como cuando en una olla de sopa se mezclan las capas de caldo y verduras si las remueves con una cuchara.

Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo colapsa y la onda de choque se precipita hacia afuera. Pero incluso antes de que la estrella se desgarre, en su interior pueden nacer partículas que apenas interactúan con la materia ordinaria. Si se descomponen en luz, la energía se transfiere al denso gas que rodea a la estrella.

En el interior de una estrella moribunda, antes de la explosión de la supernova, tienen lugar reacciones nucleares que determinan qué elementos químicos se dispersarán por el cosmos.