Un equipo de investigación liderado por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), en colaboración con centros europeos de prestigio, ha conseguido recrear en el laboratorio una reacción nuclear clave para entender la evolución de nuestra galaxia y del sistema solar. Este avance, publicado en la revista Physical Review Letters, ofrece una visión más precisa de cómo se formó el isótopo de Plomo-204 (Pb204) en las estrellas gigantes rojas y su relevancia para la datación de los materiales más antiguos del sistema solar. Los resultados del estudio permiten avanzar en la comprensión del origen de los elementos pesados que componen nuestra galaxia.
El Plomo-204 es un isótopo crucial para explicar la evolución de la composición química de nuestra galaxia, desde las primeras estrellas formadas hace aproximadamente 12.000 millones de años. En particular, la formación de este isótopo en las estrellas gigantes rojas del tipo AGB (Asymptotic Giant Branch) es fundamental para comprender el proceso de nucleosíntesis que ocurre en estas estrellas, donde se crean la mitad de los elementos más pesados que el hierro. Además, el Plomo-204 es un marcador esencial en la datación de los primeros materiales sólidos formados en el sistema solar, siendo un isótopo clave para determinar su edad.
Hasta ahora, la cantidad de Pb204 que se produce en estas estrellas no había podido cuantificarse con precisión debido al desconocimiento de una reacción nuclear que involucra al Talio-204 (Tl204), el isótopo que precede al Plomo en este proceso. El Tl204 es un isótopo radiactivo con una vida media de 3,78 años, lo que ha dificultado su producción en cantidad suficiente para llevar a cabo experimentos controlados.
Gracias a la colaboración entre el IFIC, la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), el Paul-Scherrer Institute (PSI) en Suiza y el reactor de alto flujo de Grenoble del Institut Laue-Langevin (ILL) en Francia, fue posible sintetizar una muestra lo suficientemente grande de Talio-204 para experimentar con ella. La muestra fue luego analizada en el laboratorio de experimentación con neutrones n_TOF del CERN, ubicado en Ginebra, donde el equipo realizó las primeras mediciones de la reacción nuclear que convierte el Talio-204 en Plomo-204 bajo la acción de neutrones.
Estas mediciones abren una nueva ventana para entender los procesos nucleares que tienen lugar en las estrellas gigantes rojas y cómo estos contribuyen al enriquecimiento químico de las galaxias. La producción de elementos más pesados que el hierro, como el plomo, es uno de los procesos clave que determina la evolución química del universo. Con estos datos, los astrofísicos pueden afinar sus modelos de nucleosíntesis, lo que a su vez mejora nuestra comprensión sobre la formación y evolución tanto de las galaxias como de los sistemas planetarios.
Los resultados obtenidos han mostrado un excelente acuerdo con las abundancias de Plomo-204 medidas en condritas carbonáceas de tipo Ivuna (CI), que son meteoritos primitivos que han preservado la composición química del sistema solar en sus primeras etapas de formación. Esto confirma que los procesos nucleares observados en las estrellas gigantes rojas son suficientes para explicar la cantidad de Pb204 observada en estos antiguos cuerpos rocosos, descartando la necesidad de hipótesis alternativas como la nucleosíntesis en supernovas o mecanismos de fraccionamiento en los inicios del sistema solar.
César Domingo, investigador del IFIC y líder del estudio, destaca la relevancia de estos resultados: “Por primera vez hemos podido medir con precisión la cantidad de Plomo-204 que se forma en estrellas AGB, lo que nos permite entender mejor cómo evolucionan las estrellas y cómo enriquecen el medio interestelar con elementos pesados”. Este tipo de investigaciones son fundamentales para resolver algunas de las incógnitas más profundas sobre la evolución de nuestra galaxia y el papel de los elementos pesados en la formación de los sistemas planetarios.
Sin embargo, el investigador también señala los desafíos futuros: “Aunque este experimento ha supuesto un avance significativo, necesitamos nuevas ideas disruptivas para acceder a otros núcleos de interés que se forman en entornos estelares más extremos, como supernovas o sistemas binarios de estrellas de neutrones”.
Este trabajo forma parte de los desafíos científicos planteados en los Libros Blancos del CSIC, que establecen los grandes retos de la ciencia en el siglo XXI en alineación con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. En concreto, se enmarca en el volumen 9, que busca comprender las leyes fundamentales de la naturaleza, esenciales para el desarrollo de nuevas tecnologías y avances en física nuclear y astrofísica.
La investigación también ha constituido el núcleo del trabajo de tesis doctoral de Adrià Casanovas Hoste, en un proyecto coordinado entre el IFIC y la UPC, con apoyo del Consejo Europeo de Investigación (ERC) a través del proyecto HYMNS, lo que subraya la importancia de la colaboración internacional en el campo de la física nuclear experimental y la astrofísica.
