Experimento de la estación espacial para investigar el origen de los elementos

El astrónomo Carl Sagan lo dijo bien: “Estamos hechos de materia estelar”. Los átomos que componen las sustancias químicas de nuestro cuerpo no son nativos de la Tierra; venían del espacio profundo. El Big Bang creó hidrógeno, helio y algo 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, planeado para la Estación Espacial Internacional, tiene como objetivo averiguarlo. TIGERISS fue elegida como la última misión de los pioneros de la astrofísica de la NASA.

Los pioneros son misiones astrofísicas a pequeña escala que permiten investigaciones innovadoras de fenómenos cósmicos. Estos pueden ser experimentos diseñados para volar en pequeños satélites, globos científicos, el estación Espacialy cargas útiles que podrían orbitar o aterrizar en la Luna.

A principios de este año, los cuatro conceptos de misión Pioneer anteriores, elegidos en enero de 2021, recibieron luz verde para continuar con la construcción y fueron aprobados para volar a finales de esta década.

“Las misiones Pioneer son una oportunidad invaluable para que los científicos en etapa inicial y media de su carrera realicen investigaciones astrofísicas convincentes, mientras adquieren experiencia real en la construcción de instrumentos espaciales”, dijo Mark Clampin, director de la División de Astrofísica en la sede de la NASA en Washington. “Con TIGERISS, los pioneros extienden su alcance a la estación espacial, que ofrece una plataforma única para explorar el universo”.

El 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 fue lanzado desde la Antártida en su vuelo inaugural, navegando a una altitud promedio de 125,000 pies y estableciendo un nuevo récord para el vuelo científico en globo más largo: 55 días. SuperTIGER también voló durante 32 días desde diciembre de 2019 hasta enero de 2020. El experimento midió la abundancia de elementos de la tabla periódica hasta el bario, número atómico 56.

En la Estación Espacial Internacional, la familia de instrumentos TIGER alcanzará nuevas alturas. Sin la interferencia de la atmósfera terrestre, el experimento TIGERISS realizará mediciones de mayor resolución y capturará partículas pesadas que no serían posibles con un globo científico. Una percha en la estación espacial también permitirá un experimento físico más grande, de 1 metro de ancho, que podría caber en un satélite pequeño, aumentando así el tamaño potencial del detector. Y la experiencia podría durar más de un año, en comparación con menos de dos meses en un vuelo en globo aerostático. Los investigadores esperan poder medir elementos individuales tan pesados ​​como el plomo, número atómico 82.

materia estelar

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

Esto desencadena una explosión conocida como supernova, en la que las ondas de choque arrojan 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 llaman “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 colisiones particulares de supernovas o 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 cada una de las fusiones de supernovas y estrellas de neutrones a hacer elementos pesados? “Esa es la pregunta más interesante que podemos esperar abordar”, dijo Rauch.

“Las mediciones de TIGERISS son fundamentales 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 proporcionará información sobre la abundancia general de rayos cósmicos, que representan un peligro para los astronautas.