Diana Carolina Zapata es estudiante de noveno semestre del programa de Astronomía de la Universidad de Antioquia (Colombia). Diana realizó la investigación que se resume a continuación como parte del Red de Estudiantes Colombianos de Astronomía (RECA) Internship Program 2024 bajo la supervisión del Dr. David Aguado, astrofísico del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Los resultados preliminares de esta investigación se presentaron en el Simposio RECA Internship 2024.
Durante su formación, la Vía Láctea presenció varios eventos de colisión que moldearon su estructura y dinámica actuales. En particular, se destacan dos eventos importantes en la historia de nuestra galaxia. El primero de ellos es conocido como Gaia-Sausage (o Enceladus). Este evento involucró una colisión con una galaxia enana que ocurrió hace aproximadamente 10 mil millones de años. Dicha galaxia enana tenía una masa estelar de alrededor del 10% de la masa de la Vía Láctea, lo que resultó en un choque altamente energético que reformó la estructura de nuestra galaxia, dando forma tanto a su bulbo interior como a su halo exterior. El segundo evento es conocido como Sequoia, que, aunque representó una colisión menor en comparación con el Gaia-Sausage, también dejó una marca significativa en la historia evolutiva de la Vía Láctea.
Durante estos eventos de fusión, las galaxias progenitoras de Sequoia y Gaia-Sausage se desintegraron, dejando remanentes que se incorporaron a la Vía Láctea. La visión que tenemos hoy en día es que nuestra galaxia tiene un halo que está formado en una cantidad importante de pequeños sistemas que han ido acretándose como el Gaia-Sausage y Sequoia.
Un aspecto fascinante del estudio del halo galáctico es la posibilidad de identificar las estrellas originarias de Gaia-Sausage y Sequoia. Estas estrellas poseen huellas químicas únicas que nos permiten reconstruir la historia de las fusiones que dieron forma a la Vía Láctea. En este sentido, son como fósiles cósmicos, pero con una ventaja crucial: al haberse fusionado con la Vía Láctea, estas estrellas se encuentran relativamente cerca de nosotras. Esta cercanía facilita su análisis detallado mediante espectroscopia, aprovechando la accesibilidad que nuestros instrumentos ofrecen para su estudio.
En esta investigación nos enfocamos en estudiar las abundancias químicas de estas estrellas del halo galáctico, con especial atención a los elementos formados por procesos de captura de neutrones. Estos procesos ocurren cuando núcleos atómicos capturan neutrones en entornos específicos, ya sea de manera lenta (proceso-s) o rápida (proceso-r). Sin embargo, el origen de los elementos formados por el proceso-r sigue siendo una pregunta abierta en astrofísica, ya que, aunque se han identificado posibles sitios de producción, aún no se comprende completamente cuál de estos procesos contribuye en mayor medida a la cantidad total de elementos r observados en el Universo.
Existen dos hipótesis principales sobre el origen de los elementos del proceso-r, como el europio (Eu). Una propone que se producen en las colisiones de estrellas de neutrones, eventos en los que dos estrellas de neutrones en órbita pierden energía gravitacional hasta fusionarse en una explosión violenta. La otra hipótesis apunta a que se generan en supernovas tipo II, explosiones que marcan el final de la vida de estrellas muy masivas.
Dado que cada canal de producción nuclear se desarrolla bajo condiciones astrofísicas particulares y está asociado a diferentes eventos estelares, la inclusión de una amplia variedad de elementos químicos nos permite reconstruir de manera más completa la historia evolutiva de la Vía Láctea. De este modo, en este estudio analizamos no solo los elementos del proceso-r, sino también otros elementos sintetizados en distintos procesos nucleares, lo que nos permite evaluar la evolución química de Gaia-Sausage y Sequoia con mayor precisión. Comparando diferentes abundancias químicas podemos inferir si el europio observado en estas estrellas proviene mayoritariamente de fusiones de estrellas de neutrones (NSM, por sus siglas en inglés) o de supernovas tipo II, ayudando a esclarecer el misterio sobre su origen.
Antes de este estudio, GyuChul Myeong identificó siete estrellas asociadas a los remanentes de Gaia-Sausage y Sequoia aplicando el mismo método descrito en un trabajo previo [1], utilizando datos de Gaia. Gaia es una misión espacial de la Agencia Espacial Europea diseñada para cartografiar con alta precisión la posición, el movimiento y otras propiedades físicas de más de mil millones de estrellas en la Vía Láctea. Gracias a estos datos, es posible rastrear la historia dinámica de la galaxia y sus eventos de acreción pasados.
Los espectros de alta resolución de estas estrellas fueron adquiridos mediante el espectrógrafo FIES, instalado en el Telescopio NOT, en las Islas Canarias. Un ejemplo de estos espectros se muestra en la Figura 1, donde pueden apreciarse algunas de las líneas de los elementos químicos que son de especial interés para esta investigación.
Gracias a un análisis detallado de las líneas espectrales —incluyendo ajustes gaussianos para determinar con precisión las intensidades de absorción— se obtuvieron las abundancias químicas de los elementos en todas las estrellas, lo que permitió trazar distintos gráficos que ilustran la evolución química de Gaia-Sausage y Sequoia. La intensidad de absorción en una línea espectral refleja la cantidad de un elemento presente en la atmósfera estelar, ya que átomos e iones específicos absorben luz en longitudes de onda características. Cuanto más intensa es la absorción, mayor es la abundancia del elemento en cuestión.
Asimismo, nuestros resultados se integran con estudios previos [1, 2], ampliando el rango de metalicidades consideradas.
Para las gráficas que veremos a continuación, es importante tener presente un concepto clave: la metalicidad puede interpretarse como un indicador del tiempo. Al principio del Universo, las primeras estrellas contenían muy pocos metales, ya que no habían existido estrellas previas que pudieran morir y liberar elementos pesados en el medio interestelar. A medida que el Universo evolucionó y las estrellas fueron completando su ciclo de vida, sus explosiones liberaron nuevos elementos al espacio, enriqueciendo progresivamente el medio circundante. Este proceso llevó a un aumento gradual de la metalicidad en las generaciones estelares posteriores.
Por esta razón, podemos considerar que a bajas metalicidades estamos observando un Universo más primitivo, mientras que a metalicidades más altas, vemos un entorno más evolucionado. Así, representar datos en función de la metalicidad [Fe/H] nos ayuda a entender la evolución química de los sistemas que estudiamos, lo que hace que esta cantidad sea especialmente relevante en nuestro análisis.
En la Figura 2, en el panel izquierdo, la gráfica relaciona la metalicidad [Fe/H] con [Eu/Fe]. Para Gaia-Sausage, se aprecia una gran dispersión de [Eu/Fe] en bajas metalicidades, que tiende a estabilizarse conforme la metalicidad aumenta. Dado que [Eu/Fe] indica la cantidad de europio en relación con el hierro, su evolución con respecto a la metalicidad nos permite investigar cómo los elementos del proceso-r se incorporaron en diferentes etapas de formación estelar. La alta dispersión en bajas metalicidades sugiere un retraso en la producción de Eu, lo que indica que algunas estrellas se formaron en entornos con muy poco europio disponible, mientras que otras nacieron más tarde, cuando el medio interestelar ya había sido enriquecido con este elemento.
Una posible explicación es la producción de Eu por las NSM, eventos que pueden tardar hasta miles de millones de años en suceder, ampliando así el intervalo temporal en el que se enriquece el medio con este elemento.
En el panel derecho, se muestra la razón [Eu/Mg] frente a [Mg/Fe] revelándose una anticorrelación: en los sistemas con menor [Mg/Fe], [Eu/Mg] tiende a ser mayor. Sabemos que el magnesio se produce principalmente en supernovas de tipo II, de modo que, si el europio también proviniera mayoritariamente de este mismo tipo de explosiones, la relación [Eu/Mg] debería permanecer aproximadamente constante. Sin embargo, la observación de una fase en la que la producción de Eu supera a la de Mg sugiere la contribución de otra fuente —posiblemente las NSM— que enriquece el medio con elementos del proceso-r.
En la Figura 3, al emplear Mg en lugar de Fe, se reduce la influencia de las supernovas de tipo Ia (eficientes en la producción de elementos del pico del hierro, pero menos en la de magnesio). Así, la gráfica se centra principalmente en las supernovas de tipo II, permitiendo estudiar la evolución de [Eu/Mg]. En ella se observa un aumento de [Eu/Mg] y una gran dispersión en bajas metalicidades para las estrellas de Gaia-Sausage, la cual disminuye conforme la metalicidad aumenta, concentrando más a las estrellas. Esta tendencia respalda la existencia de fuentes del proceso-r con un retraso significativo, como las NSM.
Los resultados de este estudio sugieren que las fusiones de estrellas de neutrones son una fuente clave en la producción de elementos del proceso-r, debido en gran parte a sus largos tiempos de retardo. Esto contribuiría a explicar la alta dispersión observada en [Eu/Fe] y [Eu/Mg] a bajas metalicidades en Gaia-Sausage. Un aspecto clave en este análisis ha sido la comparación con los datos del estudio de Ou et al [2]. quienes compartieron amablemente sus resultados antes de su publicación, lo que permitió enriquecer nuestra investigación y fortaleció la interpretación de nuestros resultados.
Las estrellas analizadas en nuestro trabajo no abarcan un rango suficientemente amplio de metalicidades para caracterizar el sistema Sequoia. Por ello, un paso esencial a futuro será obtener datos adicionales de estrellas con metalicidades aún más bajas, lo que permitirá una comprensión más detallada de la evolución química de Sequoia y, en última instancia, de la Vía Láctea.
REFERENCIAS
- Aguado, D. S., Belokurov, V., Myeong, G. C., et al. (2021). Elevated r-process Enrichment in Gaia Sausage and Sequoia. ApJL 908 L8
- Ou, X., Ji, A. P., Frebel, A., et al. (2024). The Rise of the R-Process in the Gaia-Sausage/Enceladus Dwarf Galaxy.
Edición: Alejandro Cárdenas-Avendaño
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