Durante dos décadas, unos diminutos granos de polvo más antiguos que el Sistema Solar han planteado un enigma a los científicos: su composición contiene una cantidad inusualmente elevada de molibdeno-94 que los modelos de formación de elementos en las estrellas no conseguían explicar. Ahora, una investigación liderada por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia, ha permitido aclarar una parte importante de este misterio mediante una medición experimental realizada en el CERN.
Los resultados, publicados en la revista científica Physical Review Letters, ayudan a comprender mejor cómo se forman los elementos químicos en el interior de las estrellas y cómo llegan al espacio para convertirse en los componentes de nuevas estrellas, planetas y, finalmente, de todo lo que conocemos.
El estudio se centra en los llamados granos presolares, pequeñas partículas de polvo estelar que se formaron antes del nacimiento del Sistema Solar y que han quedado conservadas en meteoritos primitivos. Su composición isotópica constituye una valiosa fuente de información sobre los procesos nucleares que tienen lugar en las estrellas.
El problema es que algunas de las proporciones de isótopos encontradas en estas partículas no encajaban con las predicciones de los modelos teóricos. En particular, la abundancia de molibdeno-94 representaba una dificultad importante para explicar el origen de los elementos pesados en el universo.
Cómo se forman los elementos químicos en el interior de las estrellas
Los elementos químicos se forman mediante diferentes procesos de nucleosíntesis en el interior de las estrellas. A través de reacciones nucleares, estos astros producen nuevos núcleos atómicos que, cuando llegan a las últimas etapas de su evolución, pueden dispersarse por el espacio y enriquecer el medio interestelar.
Ese material pasa a formar parte de nuevas generaciones de estrellas y sistemas planetarios. Por eso, estudiar los granos presolares permite reconstruir algunos de los procesos que tuvieron lugar antes de la formación del Sol.
En este contexto, el molibdeno-94 había supuesto un problema para los investigadores. Las mediciones isotópicas de los granos presolares mostraban una abundancia de este isótopo que los modelos de nucleosíntesis estelar no conseguían reproducir satisfactoriamente.
Para comprender esta discrepancia, el equipo del IFIC ha investigado el comportamiento de otro elemento: el niobio-94, un isótopo radiactivo cuya evolución nuclear influye directamente en la cantidad de molibdeno-94 que puede producirse. “Este isótopo es de gran relevancia para entender la abundancia de molibdeno”, explica César Domingo, investigador del CSIC en el IFIC y uno de los autores del trabajo.
“En las estrellas moribundas, en las que se dan condiciones físicas extremas, el niobio-94 puede sufrir diversas reacciones nucleares que lo transforman en otros elementos. Una de esas reacciones lo convierte, precisamente, en molibdeno-94”, apunta.
Niobio-94: el punto de bifurcación que determina la producción de molibdeno
La clave del descubrimiento está en el comportamiento del niobio-94 dentro de las estrellas. Este isótopo actúa como un punto de bifurcación en las reacciones nucleares, ya que puede seguir dos caminos diferentes: capturar un neutrón o experimentar una desintegración beta.
Ambos procesos compiten entre sí y sus probabilidades relativas determinan cuánto niobio-94 termina transformándose en otros elementos y cuánto molibdeno-94 puede producirse. En concreto, cuando el niobio-94 captura un neutrón se transforma en niobio-95. Si, por el contrario, experimenta una desintegración beta, da lugar a molibdeno-94.
Hasta ahora, los científicos no habían podido medir experimentalmente la probabilidad de que el niobio-94 capturase un neutrón. Para cubrir esta laguna, el equipo del IFIC ha realizado por primera vez esta medición en la instalación experimental n_TOF del CERN, en Ginebra (Suiza).
El resultado permite determinar con mayor precisión la competencia entre las dos vías nucleares y mejorar los cálculos sobre la cantidad de molibdeno-94 que se produce durante la evolución de determinadas estrellas.
“La medición resultó estar cerca de algunas de las estimaciones teóricas previas. De hecho, al incorporar este nuevo resultado en los modelos estelares más avanzados, estos presentan mucha menos incertidumbre y logran reproducir con éxito las abundancias de molibdeno-94 observadas en el polvo estelar antiguo, lo que marca un hito en el enigma del molibdeno”, explica Javier Balibrea Correa, investigador del IFIC y primer autor del trabajo, en el que también participa Jorge Lerendegui Marco.
El experimento del CERN que ha permitido medir la reacción nuclear
La investigación se ha desarrollado en n_TOF, una instalación del CERN especializada en el estudio de reacciones nucleares inducidas por neutrones. Su funcionamiento se basa en la técnica del tiempo de vuelo, que permite determinar las características de las partículas a partir del tiempo que tardan en recorrer una distancia conocida hasta alcanzar una estación experimental.
Gracias a este procedimiento, los investigadores han podido determinar la sección eficaz de la reacción de captura neutrónica del niobio-94, es decir, una medida de la probabilidad de que se produzca esa interacción nuclear en función de la energía de los neutrones.
Un paso más para comprender cómo se forman los elementos químicos en las estrellas
Aunque el resultado experimental ha permitido reducir considerablemente la incertidumbre sobre el origen del molibdeno-94, el misterio no está completamente cerrado.
Los investigadores todavía disponen únicamente de estimaciones teóricas para otros procesos nucleares que puede experimentar el niobio-94. Por ello, será necesario realizar nuevos experimentos que permitan medir con precisión esas reacciones y completar la información necesaria para reconstruir su evolución en el interior de las estrellas.
El objetivo es obtener una imagen cada vez más precisa de los mecanismos mediante los que se forman los elementos pesados y de cómo se distribuyen por el universo.
El trabajo del IFIC supone así un avance en la comprensión de la nucleosíntesis estelar y demuestra la importancia de los experimentos de física nuclear para resolver cuestiones fundamentales de la astrofísica.
Gracias a esta nueva medición, los científicos cuentan con una base experimental más sólida para explicar la presencia de molibdeno-94 en los granos presolares y reconstruir parte de la historia química del material que dio origen al Sistema Solar.
