Elementos pesados como el oro, la plata y el uranio son aparentemente más abundantes en el Universo de lo que se suponía hasta ahora. Esta es la conclusión de un equipo internacional de investigación, que incluye científicos del Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg, que investigó los procesos astrofísicos en las regiones de formación estelar y, en particular, la composición química de las denominadas regiones HII.
Según los investigadores, las inhomogeneidades de temperatura en estas nubes de gas ricas en hidrógeno podrían ser la causa de que se subestime sistemáticamente la abundancia de elementos pesados. Los resultados de la investigación ofrecen importantes hallazgos sobre la evolución de las estructuras galácticas.
Inmediatamente después del Big Bang, se formaron por primera vez elementos químicos ligeros como el hidrógeno y el helio. Después de que el Universo se expandiera y enfriara, se desarrollaron estrellas en las que se produjeron elementos químicos como el oxígeno y el nitrógeno hasta nuestros días.
En una segunda fase, las colisiones de estrellas de neutrones o las explosiones de supernovas generaron elementos más pesados como el oro, la plata y el uranio. Algunos de estos elementos permanecen ligados en estrellas de larga vida o en sus vestigios o son liberados por explosiones y vientos estelares. En el espacio interestelar están disponibles como materiales de construcción para las siguientes generaciones de estrellas, afirma el Dr. José Eduardo Méndez Delgado, del Instituto de Computación Astronómica, que forma parte del Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg.
Los cambios y variaciones espaciales en la abundancia de elementos químicos revelan mucho sobre la evolución de las estructuras galácticas y, por ello, se estudian intensamente. Los investigadores de Alemania, España y México investigaron las nubes de gas ricas en hidrógeno conocidas como regiones HII.
Cuando son irradiadas por estrellas masivas, emiten una gran cantidad de radiación que puede registrarse incluso desde las mayores distancias cósmicas. Estas nubes de gas también contienen elementos pesados. Sus líneas de emisión permiten determinar su composición química y la abundancia de elementos. Algunas de estas líneas de emisión son el resultado de colisiones entre átomos pesados y electrones libres, mientras que otras se generan tras la recombinación de electrones con átomos.
Mediciones anteriores de las abundancias de elementos mostraron que las líneas de recombinación tienen sistemáticamente aproximadamente el doble de elementos pesados que sus homólogas inducidas por colisión.
En 1967, se asumió que las inhomogeneidades de temperatura en las regiones HII posiblemente causaban esta discrepancia. En este tipo de escenario, las líneas de emisión inducidas por colisión y extremadamente brillantes en las regiones más calientes de la nube de gas se intensifican desproporcionadamente. Aquí, la temperatura del gas superaría el valor medio.
Por el contrario, las líneas de recombinación están mucho menos influenciadas debido a su menor sensibilidad a las variaciones de temperatura. Por tanto, proporcionarían las abundancias de elementos correctas.
Los investigadores del equipo del Dr. Méndez Delgado supusieron que las variaciones de temperatura, aún no comprobadas, se concentran en zonas de las regiones HII más irradiadas en la proximidad de estrellas y, por tanto, más fuertemente ionizadas.
Un mayor y un menor grado de ionización deberían poder vincularse a un parámetro que también cuantifica la discrepancia de abundancias de elementos. De hecho, todas las observaciones disponibles de regiones HII demuestran tal correlación. Por primera vez, por tanto, pruebas muy sólidas apoyan una solución general a este problema astrofísico, afirma el investigador de Heidelberg.
Con sus investigaciones, el Dr. Méndez Delgado y sus colegas pudieron demostrar que es posible derivar las abundancias químicas correctas basándose en líneas de emisión muy luminosas excitadas por colisión mediante el análisis de iones con menor ionización como el nitrógeno.
La Dra. Kathryn Kreckel, jefa del grupo de investigación del Instituto de Computación Astronómica, cree que muchas conclusiones sobre la composición química y el desarrollo de los sistemas galácticos podrían cambiar. Si se basan en líneas de emisión excitadas por colisiones, subestiman las abundancias de elementos pesados, según la científica, que también participó en la investigación.
Los resultados de la investigación se publicaron en Nature. El trabajo fue financiado por la Fundación Alemana para la Investigación (DFG), y en él participaron investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (España) y de la Universidad Nacional Autónoma de México.
Fuentes
Universität Heidelberg | Méndez-Delgado, J.E., Esteban, C., García-Rojas, J. et al. Temperature inhomogeneities cause the abundance discrepancy in H II regions. Nature 618, 249–251 (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-05956-2
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