Investigadores miden átomos inestables que transforman explosiones de estrellas

Un equipo de científicos del Instituto de Física Moderna de la Academia China de Ciencias (CAS) realizó mediciones precisas de las masas de dos núcleos atómicos extremadamente inestables, el fósforo-26 y el azufre-27. Estos datos son fundamentales para calcular las tasas de reacción nuclear durante las explosiones de rayos X, lo que ayuda a comprender mejor cómo se crean los elementos químicos en algunos de los entornos más extremos del universo.

Los resultados de este estudio fueron publicados en The Astrophysical Journal el 1 de diciembre de 2025.

¿Qué impulsa las explosiones de rayos X tipo I?

Las explosiones de rayos X tipo I son explosiones termonucleares intensas y recurrentes que se observan en toda la galaxia. Generalmente ocurren en sistemas binarios de rayos X de baja masa, donde una densa estrella de neutrones extrae material de una estrella compañera cercana. A medida que el hidrógeno y el helio se acumulan en la superficie de la estrella de neutrones, se inicia una combustión nuclear inestable, liberando enormes cantidades de energía.

Este proceso explosivo es impulsado por reacciones rápidas de captura de protones, conocidas como el proceso rp. Durante este proceso, los núcleos atómicos absorben rápidamente protones y se transforman en elementos más pesados. La velocidad de estas reacciones y qué caminos nucleares dominan dependen en gran medida de las masas exactas de los núcleos involucrados.

¿Por qué son difíciles de determinar las masas nucleares?

Muchos de los núcleos involucrados en el proceso rp existen cerca de la línea de goteo de protones, lo que significa que son altamente inestables y decaen muy rápidamente. Debido a sus cortas vidas, sus masas a menudo han sido poco conocidas o completamente no medidas. Esta falta de datos ha dificultado que los científicos modelen con precisión las reacciones nucleares durante las explosiones de rayos X.

Según el Dr. Xinliang Yan del IMP, uno de los autores correspondientes del estudio, los investigadores han debatido durante años si un camino de reacción que involucra el fósforo-26 y el azufre-27 juega un papel significativo en el proceso rp. La incertidumbre se debió en gran medida a la falta de mediciones de masa precisas para estos núcleos.

Medición de núcleos raros con alta precisión

Para resolver este problema, el equipo de investigación midió directamente las masas del fósforo-26 y el azufre-27 utilizando espectrometría de masas isocronas definidas por rigidez magnética. Los experimentos se llevaron a cabo en el Anillo de Almacenamiento de Enfriamiento de la Instalación de Investigación de Iones Pesados en Lanzhou (HIRFL-CSR).

Las nuevas mediciones revelaron que la energía de separación de protones del azufre-27 es de 129-267 keV más alta que las estimaciones anteriores. La precisión de este valor representa una mejora de ocho veces en comparación con los datos anteriores.

Reacciones más rápidas dentro de estrellas en explosión

Utilizando los nuevos valores de masa, los investigadores recalcularon cómo proceden las reacciones nucleares durante las explosiones de rayos X. En condiciones típicas de explosión, encontraron que la tasa de reacción de 26P(p,γ)27S aumenta significativamente en temperaturas que oscilan entre 0.4-2 Gigakelvin (GK). A 1 GK, la tasa de reacción puede ser hasta cinco veces mayor que las estimaciones anteriores.

Los datos revisados también redujeron en gran medida la incertidumbre en la tasa de reacción inversa. Como resultado, los modelos predicen una mayor abundancia de azufre-27 en relación con el fósforo-26, lo que indica que el material nuclear fluye de manera más eficiente hacia el azufre-27 durante estas explosiones estelares.

"Nuestros resultados de masa de alta precisión y la nueva tasa de reacción correspondiente proporcionan insumos más confiables para las redes de reacciones astrofísicas, resolviendo las incertidumbres en las vías de nucleosíntesis dentro de la región de fósforo-azufre de las explosiones de rayos X", afirmó el Dr. Suqing Hou del IMP, otro autor correspondiente del estudio.

Colaboración internacional y apoyo a la investigación

El proyecto se llevó a cabo en colaboración con científicos del Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados de Alemania y el Instituto Max Planck de Física Nuclear, junto con investigadores de la Universidad de Saitama en Japón.

El financiamiento para la investigación fue proporcionado por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, la Asociación de Promoción de la Innovación Juvenil de la CAS y el Proyecto de Jóvenes Académicos para el Desarrollo Regional de la CAS.

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