Experimento de la estación espacial para investigar los orígenes de los elementos

El astrónomo Carl Sagan lo expresó mejor: «Estamos hechos de materia estelar». Los átomos que componen las sustancias químicas de nuestros cuerpos no se originaron en la Tierra; venían del espacio profundo. El big bang creó hidrógeno, helio y un poco de litio, pero los átomos más pesados, los esenciales para la vida, provinieron de procesos relacionados con las estrellas.

Los científicos ahora pueden sondear más profundo. ¿Qué tipos de procesos estelares producen qué elementos? ¿Y qué tipos de estrellas están involucradas?

Un nuevo experimento llamado TIGERISS, previsto para la Estación Espacial Internacional, tiene como objetivo averiguarlo. TIGERISS ha sido elegida como la última misión de Pioneros en Astrofísica de la NASA.

Los pioneros son misiones de astrofísica a pequeña escala que permiten investigaciones innovadoras sobre fenómenos cósmicos. Pueden incluir experimentos diseñados para volar en pequeños satélites, globos científicos, la estación espacial y cargas útiles que podrían orbitar o aterrizar en la Luna.

A principios de este año, los cuatro conceptos de misión Pioneers anteriores, elegidos en enero de 2021, recibieron luz verde para seguir adelante con la construcción y se aprobaron para volar a finales de esta década.

«Las misiones Pioneer son una oportunidad invaluable para que los científicos que se encuentran en la mitad de su carrera realicen investigaciones astrofísicas convincentes, mientras adquieren experiencia real en la construcción de instrumentación basada en el espacio», dijo Mark Clampin, director de la división de astrofísica en la sede de la NASA en Washington. «Con TIGERISS, los pioneros amplían su alcance a la estación espacial, que ofrece una plataforma única para explorar el universo».

Ojo del tigre

El investigador principal de TIGERISS, Brian Rauch, profesor asociado de investigación de física en la Universidad de Washington en St. Louis, ha estado trabajando en cuestiones de orígenes elementales y partículas de alta energía desde que era estudiante allí. Durante casi tres años en la universidad, Rauch trabajó en un detector de partículas llamado Trans-Iron Galactic Element Recorder, o TIGER. El experimento tuvo su primer vuelo en globo en 1995; Los vuelos en globo de larga duración también lanzaron una versión de TIGER desde la Antártida en 2001 a 2002 y 2003 a 2004.

A medida que Rauch avanzaba en su carrera de investigación, ayudó a TIGER a evolucionar hacia el SuperTIGER más sofisticado. El 8 de diciembre de 2012, SuperTIGER se lanzó desde la Antártida en su primer vuelo, navegando a una altitud promedio de 125,000 pies y estableciendo un nuevo récord para el vuelo científico más largo en globo: 55 días. SuperTIGER también voló durante 32 días desde diciembre de 2019 hasta enero de 2020. El experimento midió la abundancia de elementos en la tabla periódica hasta el bario, número atómico 56.

En la Estación Espacial Internacional, la familia de instrumentos TIGER se elevará a nuevas alturas. Sin la interferencia de la atmósfera terrestre, el experimento TIGERISS realizará mediciones de mayor resolución y recogerá partículas pesadas que no serían posibles desde un globo científico. Una posición elevada en la estación espacial también permitirá un experimento físico más grande (3,2 pies (1 metro) de lado) que el que cabría en un satélite pequeño, aumentando el tamaño potencial del detector. Y el experimento podría durar más de un año, en comparación con menos de dos meses en un vuelo en globo. Los investigadores planean poder medir elementos individuales tan pesados ​​como el plomo, número atómico 82.

Materia estelar

Todas las estrellas existen en un delicado equilibrio: necesitan emitir suficiente energía para contrarrestar su propia gravedad. Esa energía proviene de la fusión de elementos para formar otros más pesados, incluidos el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, que son importantes para la vida tal como la conocemos. Pero una vez que una estrella gigante intenta fusionar átomos de hierro, la reacción no genera suficiente energía para luchar contra la gravedad y el núcleo de la estrella colapsa.

Esto desencadena una explosión conocida como supernova, en la que las ondas de choque expulsan todos los elementos pesados ​​que se habían producido en el núcleo de la estrella. La explosión en sí también crea elementos pesados ​​y los acelera casi a la velocidad de la luz, partículas que los científicos denominan «rayos cósmicos».

Pero esa no es la única forma en que se pueden formar los átomos pesados. Cuando un remanente superdenso de una supernova llamada estrella de neutrones choca con otra estrella de neutrones, su fusión cataclísmica también crea elementos pesados.

TIGERISS no podrá señalar supernovas particulares o colisiones de estrellas de neutrones, pero «agregaría contexto sobre cómo estos elementos de rápido movimiento se aceleran y viajan a través de la galaxia», dijo Rauch.

Entonces, ¿cuánto contribuyen las fusiones de supernovas y estrellas de neutrones a la creación de elementos pesados? «Esa es la pregunta más interesante que podemos esperar abordar», dijo Rauch.

«Las mediciones de TIGERISS son clave para comprender cómo nuestra galaxia crea y distribuye la materia», dijo John Krizmanic, investigador principal adjunto de TIGERISS con sede en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

TIGERISS también contribuirá con información sobre la abundancia general de rayos cósmicos, que representan un peligro para los astronautas.