Encuentran una nueva fuente de producción de litio en el Universo

Representación artística de un púlsar binario de milisegundos. La estrella compañera recibe el impacto de los rayos gamma y del flujo de partículas relativistas que emergen del púlsar, lo que fragmenta los núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno presentes en su atmósfera y generan nuevo litio. Crédito: Gabriel Pérez Díaz (IAC)

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Una investigación internacional liderada por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), con participación de la Universidad de Manchester y la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, ha detectado una abundancia de litio anómalamente alta en la atmósfera de la estrella compañera de un púlsar de milisegundos. La cantidad de este elemento químico es mayor que la observada en estrellas con la misma temperatura efectiva y en estrellas jóvenes de alta metalicidad, por lo que el estudio proporciona pruebas inequívocas de la creación de nuevo litio.

El litio es un elemento frágil que, en el interior de estrellas similares al Sol, se destruye gradualmente mediante la combustión nuclear a baja temperatura. Sin embargo, la abundancia de litio en las estrellas jóvenes de alta metalicidad (Población I) es superior al valor producido en la nucleosíntesis del Big Bang, periodo en el que se formaron determinados elementos ligeros, entre ellos, el litio, lo que significa que existen estrellas y mecanismos que lo crean y expulsan al medio interestelar.

Las binarias de rayos X son sistemas que emiten una intensa radiación en rayos X y que están formados por un objeto compacto, ya sea un agujero negro o una estrella de neutrones, y por una estrella compañera. El objeto compacto se alimenta de material que sustrae de la estrella compañera, un proceso conocido como acreción. Las condiciones que rodean a estos objetos compactos son ideales para la producción de litio a través de la fragmentación o espalación de núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno (CNO) por neutrones en el flujo de acreción interno o en la superficie de la estrella compañera. Sin embargo, aunque la abundancia de litio observada en las binarias de rayos X es relativamente alta, no supera el valor cósmico ni el de las estrellas jóvenes de la Población I.

Litio en un púlsar binario de milisegundos

Ahora, un equipo liderado por investigadores del IAC ha encontrado una sorprendente sobreabundancia de litio en un púlsar binario de milisegundos, un tipo de sistema binario formado por una estrella compañera de baja masa y una estrella de neutrones o púlsar con un período de rotación de unos pocos milisegundos.

Utilizando la espectroscopia de archivo de alta resolución tomada con el Very Large Telescope (VLT), del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Paranal (Chile), y el Telescopio William Herschel (WHT), del Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma (España), los investigadores han realizado un análisis de abundancia química del púlsar binario de milisegundos PSR J1023+0038.

En este sistema, el equipo ha encontrado una estrella compañera rica en metales con abundancias de elementos químicos muy diferentes a las abundancias elementales observadas en estrellas compañeras en binarias de rayos X y en estrellas de la vecindad solar. “Sorprendentemente, hemos detectado una cantidad de litio mayor que la observada en estrellas con la misma temperatura efectiva, estrellas de la Población I y binarias de rayos X”, explica Tariq Shahbaz, investigador del IAC y primer autor del estudio.

Según se desprende del estudio, la emisión pulsada de rayos gamma que tiene lugar en la mayoría de púlsares binarios de milisegundos supone una copiosa producción de partículas, algunas de los cuales acaban formando parte del viento magnetizado que emerge del púlsar a gran velocidad. “El impacto de los rayos gamma y del flujo de partículas relativistas con la atmósfera de la estrella compañera fragmenta los núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno presentes y generan nuevo litio, lo que hace que se observe una abundancia realzada de este elemento químico”, señala Jonay González Hernández, investigador del IAC y coautor del estudio.

“La espalación a través de rayos gamma o protones puede conducir a un enriquecimiento sustancial de litio en la atmósfera de la estrella secundaria, por lo que los púlsares binarios de milisegundos podrían proporcionar lugares para la producción de nuevo litio", destaca Daniel Mata Sánchez, investigador del IAC y coautor del estudio.

Artículo: T. Shahbaz, J.I. González-Hernández, R.P. Breton, M.R. Kennedy, D. Mata Sánchez, M. Linares: "The peculiar chemical abundance of the transitional millisecond pulsar PSR J1023+0038 - Li enhancement", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), June 2022. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stac492 arXiv: arXiv:2202.09070

Contacto en el IAC:
Tariq Shahbaz, tsh [at] iac.es ()
Jonay González Hernández, jonay [at] iac.es ()
Daniel Mata Sánchez, daniel.mata [at] iac.es ()

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