¿Alguna vez te has preguntado cuánto tiempo tardó nuestro Sol en formarse en su vivero estelar? Una colaboración internacional de científicos está ahora más cerca de encontrar la respuesta. Han conseguido medir la desintegración beta en estado ligado de iones de talio totalmente ionizados (²⁰⁵Tl⁸¹⁺) en el Anillo de Almacenamiento Experimental (ESR) de GSI/FAIR.
Esta medición tiene profundos efectos en la producción de plomo radiactivo (²⁰⁵Pb) en estrellas de la rama gigante asintótica (AGB) y puede utilizarse para ayudar a determinar el tiempo de formación del Sol. Los resultados se han publicado en la revista Nature.
Los cálculos actuales estiman que la formación de nuestro Sol a partir de la nube molecular progenitora tardó unas decenas de millones de años. Los científicos obtienen este número a partir de radionucleidos de larga duración producidos justo antes de la formación del Sol mediante lo que se denomina el proceso s astrofísico.
El proceso s había operado en el vecindario solar en estrellas de la rama asintótica gigante (AGB), estrellas de masa intermedia al final de sus ciclos de combustión. Los radionucleidos, todos desintegrados desde el nacimiento del sol hace 4.600 millones de años, dejaron sus huellas como pequeñas cantidades excedentes de los productos de desintegración en meteoritos, donde ahora pueden detectarse.
El candidato ideal es un radionucleido que se produce exclusivamente mediante el proceso s y que no tiene contaminación de otros procesos de nucleosíntesis. El núcleo «sólo» ²⁰⁵Pb es el único candidato que cumple estas propiedades.
En la Tierra, es el ²⁰⁵Pb atómico el que se desintegra en ²⁰⁵Tl al convertir uno de sus protones y un electrón atómico en un neutrón y un neutrino electrónico. La diferencia de energía entre ²⁰⁵Pb y su hija ²⁰⁵Tl es tan pequeña que las mayores energías de enlace de los electrones en ²⁰⁵Pb (con carga Z=82 en comparación con solo 81 electrones en ²⁰⁵Tl) inclinan la balanza.
En otras palabras, si se eliminan todos los electrones, el papel de la hija y la madre en la desintegración se invierte, y ²⁰⁵Tl sufre una desintegración beta negativa a ²⁰⁵Pb. Esto es lo que sucede en las estrellas AGB donde las temperaturas de unos pocos cientos de millones de Kelvin son suficientes para ionizar completamente los átomos. La cantidad de ²⁰⁵Pb que se produce en las estrellas AGB depende crucialmente de la velocidad a la que ²⁰⁵Tl se desintegra a ²⁰⁵Pb. Pero esta desintegración no se puede medir en condiciones normales de laboratorio porque el ²⁰⁵Tl es estable.
La desintegración del ²⁰⁵Tl solo es energéticamente posible si el electrón producido es capturado en una de las órbitas atómicas ligadas en el ²⁰⁵Pb. Este es un modo de desintegración excepcionalmente raro, conocido como desintegración beta en estado ligado. Además, la desintegración nuclear conduce a un estado excitado en el ²⁰⁵Pb que se sitúa solo a unos minúsculos 2,3 kiloelectronvoltios por encima del estado fundamental, pero es muy favorecido por sobre la desintegración al estado fundamental.
El par ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb puede imaginarse como un modelo de balancín estelar, ya que ambas direcciones de desintegración son posibles, y el ganador depende de las condiciones ambientales estelares de temperatura y densidad (electrónica), y de la fuerza de transición nuclear, que era la gran incógnita en esta competencia estelar.
Esta incógnita ha sido desvelada en un ingenioso experimento realizado por un equipo internacional de científicos procedentes de 37 instituciones que representan a doce países. La desintegración beta en estado ligado sólo es medible si el núcleo en descomposición se despoja de todos los electrones y se mantiene en estas condiciones extraordinarias durante varias horas. A nivel mundial, esto sólo es posible en el anillo de almacenamiento experimental de iones pesados (ESR) de GSI/FAIR combinado con el separador de fragmentos (FRS).
«La medición de ²⁰⁵Tl⁸¹⁺ se había propuesto en la década de 1980, pero han sido necesarias décadas de desarrollo de aceleradores y el duro trabajo de muchos colegas para hacerla realidad», afirma el profesor Yury Litvinov de GSI/FAIR, portavoz del experimento. «Se ha tenido que desarrollar una plétora de técnicas innovadoras para lograr las condiciones necesarias para un experimento exitoso, como la producción de ²⁰⁵Tl puro en una reacción nuclear, su separación en la FRS y su acumulación, enfriamiento, almacenamiento y monitorización en la ESR».
«Conociendo la fuerza de transición, ahora podemos calcular con precisión las velocidades a las que opera el par de balancines ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb en las condiciones que se encuentran en las estrellas AGB», afirma el Dr. Riccardo Mancino, que realizó los cálculos como investigador postdoctoral en la Universidad Técnica de Darmstadt y GSI/FAIR.
El rendimiento de producción de ²⁰⁵Pb en las estrellas AGB ha sido calculado por investigadores del Observatorio Konkoly en Budapest (Hungría), el INAF Osservatorio d’Abruzzo (Italia) y la Universidad de Hull (Reino Unido), implementando las nuevas tasas de desintegración estelar ²⁰⁵Tl/²⁰⁵Pb en sus modelos astrofísicos AGB de última generación.
«La nueva tasa de desintegración nos permite predecir con confianza cuánto ²⁰⁵Pb se produce en las estrellas AGB y llega a la nube de gas que formó nuestro Sol», explica la Dra. Maria Lugaro, investigadora del Observatorio Konkoly. «Al comparar con la cantidad de ²⁰⁵Pb que actualmente inferimos de los meteoritos, el nuevo resultado proporciona un intervalo de tiempo para la formación del sol a partir de la nube molecular progenitora de 10 a 20 millones de años que es consistente con otras especies radiactivas producidas por el lento proceso de captura de neutrones».
«Nuestro resultado destaca cómo las instalaciones experimentales innovadoras, la colaboración entre muchos grupos de investigación y mucho trabajo duro pueden ayudarnos a comprender los procesos en los núcleos de las estrellas. Con nuestro nuevo resultado experimental, podemos descubrir cuánto tiempo tardó nuestro sol en formarse hace 4.600 millones de años», dice Guy Leckenby, estudiante de doctorado de TRIUMF y primer autor de la publicación.
La vida media de desintegración beta medida en estado ligado es esencial para analizar la acumulación de ²⁰⁵Pb en el medio interestelar. Sin embargo, otras reacciones nucleares también son importantes, incluida la tasa de captura de neutrones en ²⁰⁵Pb para la que se planea un experimento utilizando el método de reacción sustituta en el ESR. Estos resultados ilustran claramente las posibilidades únicas que ofrecen los anillos de almacenamiento de iones pesados de GSI/FAIR, que permiten a los científicos llevar el universo al laboratorio.
El trabajo está dedicado a los colegas fallecidos Fritz Bosch, Roberto Gallino, Hans Geissel, Paul Kienle, Fritz Nolden y Gerald J. Wasserburg, quienes apoyaron esta investigación durante muchos años.
Con información de Nature
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