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Cosmoquímicos encuentran evidencia de elementos pesados inestables en la formación del sistema solar

Científicos de la Universidad de Chicago, Estados Unidos, han descubierto evidencias en un meteorito de que un elemento raro, el curio, estuvo presente durante la formación del sistema solar. Este hallazgo, publicado este viernes en 'Science Advances', pone fin a un debate de 35 años sobre la posible presencia de curio en el sistema solar primitivo y desempeña un papel crucial en la reevaluación de los modelos de evolución estelar y la síntesis de elementos en las estrellas.
"El curio es un elemento difícil de alcanzar. Es uno de los elementos más pesados ??que se conoce, sin embargo, no se produce de forma natural debido a que todos sus isótopos son radiactivos y decaen rápidamente en una escala de tiempo geológico", explica el autor principal del estudio, François Tissot, ahora investigador en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos.
Sin embargo, Tissot y sus co-autores, de la Universidad de Chicago, también en Estados Unidos, Nicolas Dauphas y Lawrence Grossman, han encontrado evidencia de curio en una inusual integración cerámica que llamaron "Curious Marie", tomada de un meteorito carbonoso. El curio se incorporó en la inclusión cuando se condensó desde la nube gaseosa que formó el sol temprano en la historia del sistema solar.
"Curious Marie" y el curio son a la vez el nombre de Marie Curie, cuyo trabajo pionero sentó las bases de la teoría de la radiactividad. El curio fue descubierto en 1944 por Glenn Seaborg y sus colaboradores de la Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos, que mediante el bombardeo de átomos de plutonio con partículas alfa (átomos de helio) sintetizaron un nuevo elemento muy radiactivo.
Para identificar químicamente y sin ambigüedades este nuevo elemento, Seaborg y sus colaboradores estudiaron la energía de las partículas emitidas durante su descomposición en el Laboratorio de Metalúrgica en la Universidad de Chicago, Estados Unidos, que más tarde se convirtió en el 'Argonne National Laboratory'. El isótopo que habían sintetizado fue el muy inestable curio-242, que se descompone en una vida media de 162 días.
En la Tierra hoy en día, existe el curio sólo cuando se fabrica en laboratorios o como un subproducto de explosiones nucleares. Sin embargo, el curio podría haber estado presente a principios de la historia del sistema solar como un producto de las explosiones de estrellas masivas que ocurrieron antes de que el sistema solar naciera.
"La posible presencia de curio en el sistema solar ha sido durante mucho tiempo emocionante para los cosmoquímicos, ya que a menudo pueden utilizar elementos radiactivos como cronómetros para fechar las edades de los meteoritos y los planetas", afirma el coautor del estudio, Nicolas Dauphas, profesor de Ciencias Geofísicas de la Universidad de Chicago, Estados Unidos.
De hecho, el isótopo de curio de vida más larga (247Cm) se descompuso con el tiempo en un isótopo de uranio (235U). Por lo tanto, un mineral o una roca formada a principios del sistema solar, cuando existía 247Cm, pudo incorporar más 247Cm que un mineral o roca similar que se formó más tarde, después de la descomposición de 247Cm.
Si los científicos analizaran hoy estos dos minerales hipotéticos, encontrarían que el mineral más antiguo contiene más 235U (el producto de desintegración del 247Cm) que el mineral más joven. Los primeros estudios en la década de 1980 encontraron grandes excesos de 235U en cualquier inclusión de meteoritos que analizaron y concluyeron que el curio era muy abundante cuando se formó el sistema solar.
Experimentos más refinados realizados por James Chen y el alumno de la Universidad de Chicago Gerald Wasserburg, en el Instituto de Tecnología de California, mostraron que estos primeros resultados eran espurios y que si el curio estaba presente en el sistema solar primitivo, su abundancia era tan baja que la tecnología de vanguardia no sería capaz de detectarlo.
BAJA CANTIDAD DE URANIO EN "CURIOUS MARIE"
Los científicos tuvieron que esperar hasta que se desarrolló un nuevo espectrómetro de masas de mayor rendimiento para identificar con éxito, en 2010, pequeños excesos de 235U que podrían ser la prueba irrefutable de la presencia de 247Cm en el sistema solar primitivo. "Eso fue un importante paso adelante, pero el problema es que esos sobrantes eran tan pequeños que otros procesos podrían haberlos producido", señala Tissot.
Los modelos predicen que el curio, si está presente, se encontraba en baja abundancia en el sistema solar primitivo. Por lo tanto, el exceso de 235U producido por la descomposición de 247Cm no puede ser visto en minerales o inclusiones que contienen cantidades grandes o incluso medios de uranio natural. Uno de los retos fue encontrar un mineral o inclusión probablemente con una gran cantidad de curio, pero que contenga poco uranio.
Con la ayuda del coautor del estudio, Lawrence Grossman, profesor emérito de Ciencias Geofísicas en la Universidad de Chicago, el equipo fue capaz de identificar y seleccionar un tipo específico de inclusión de meteoritos ricos en calcio y aluminio. Se sabe que estos CAI (inclusiones ricas en calcio y aluminio) tienen una baja abundancia de uranio y pueden tener gran abundancia de curio. Una de estas inclusiones "Curious Marie" contenía una cantidad extremadamente baja de uranio.
"Es en este mismo ejemplo donde hemos sido capaces de resolver un exceso de 235U sin precedentes --dice Tissot--. Todas las muestras naturales tienen una composición isotópica similar de uranio, pero el uranio en "Curious Marie" tiene un 6 por ciento más de 235U, un hallazgo que sólo puede explicarse por 247Cm en el sistema solar primitivo".
Gracias a esta muestra, el equipo de investigación consiguió calcular la cantidad de curio presente en el sistema solar primitivo y compararla con la cantidad de otros elementos radioactivos pesados ??como el yodo-129 y plutonio-244. De esta forma, encontraron que todos estos isótopos se podrían haber producido en conjunto por un solo proceso en las estrellas.
"Esto es particularmente importante porque indica que a medida que las sucesivas generaciones de estrellas mueren y se expulsan los elementos que producían en la galaxia, los elementos más pesados ??se producen juntos, mientras que trabajos anteriores habían sugerido que esto no era así", explica Dauphas.
El hallazgo de que el curio se produce de manera natural en meteoritos por Tissot y colaboradores cierra el bucle abierto hace 70 años por el descubrimiento de curio por el hombre y proporciona una nueva limitación, que los modeladores ahora pueden incorporar en modelos complejos de nucleosíntesis estelar y de evolución química galáctica para entender cómo se forman en las estrellas elementos como el oro.