O mistério de onde vêm os elementos pesados, como ouro e prata, se aprofundou com os grupos de pesquisa em conflito para saber se as fusões binárias de estrelas de nêutrons podem explicar a abundância desses elementos no universo.
Em 17 de agosto de 2017, uma explosão de ondas gravitacionais foi detectada pelos detectores LIGO e Virgo. O astrônomo rapidamente virou seus telescópios em direção à fonte das ondas e observou o brilho posterior de uma kilonova – a colisão de duas estrelas de nêutrons – em uma galáxia a 140 milhões de anos-luz de distância.
A luz do kilonova era alimentada pelo decaimento radioativo de grandes quantidades de elementos pesados formados pela rápida captura de nêutrons (o “processo r”). Em particular, uma equipe liderada por Darach Watson no Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhagen identificou a linha espectral do estrôncio na luz da kilonova.
Chega de colisões
Agora é certo que as colisões de estrelas de nêutrons produzem elementos do processo r, como estrôncio, európio, prata e ouro. No entanto, o debate continua quanto à existência de tais colisões o suficiente para produzir a abundância dos elementos que observamos no universo.
Em um artigo submetido aos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, astrônomos liderados por Irina Dvorkin do Institut d’Astrophysique de Paris estudaram como o meio interestelar se enriquece em elementos do processo r e concluíram que as fusões de estrelas de nêutrons binárias são a principal fonte desses elementos em ambientes que geralmente têm baixos níveis de elementos pesados. Essas regiões incluem o halo da Via Láctea, galáxias anãs e o universo primitivo. Embora seus modelos não se concentrassem em ambientes mais ricos em elementos pesados, como o disco da Via Láctea, eles propõem que as fusões de estrelas de nêutrons binárias também podem ser a fonte dominante lá.
Uma das razões para esta conclusão são as variações observadas nas proporções das abundâncias dos elementos do processo r em comparação com os elementos do grupo do ferro, que são formados em supernovas. Se os elementos do processo r também fossem formados em supernovas, esperaríamos que eles tivessem uma razão constante em relação aos elementos do grupo de ferro. Em vez disso, há uma grande dispersão observada nas proporções dos dois grupos de elementos, o que implica origens diferentes.
Escala de tempo muito longa
No entanto, esta conclusão é contestada por um artigo publicado no The Astrophysical Journal, de Chiaki Kobayashi, da Universidade de Hertfordshire e colegas. A equipe de Kobayashi criou modelos que descrevem a origem de cada elemento do universo em função do tempo e do ambiente. Eles chegaram à conclusão de que a escala de tempo das estrelas de nêutrons binárias formando-se a partir de supernovas e depois espiralando em uma colisão é muito longa para explicar a abundância observada de elementos do processo r.
“A diferença importante entre nosso artigo e o de Dvorkin et al. papel é o atraso de tempo de eventos de fusão de estrelas de nêutrons”, disse Kobayashi à Physics World. Após sua formação, as estrelas de nêutrons binárias podem levar bilhões de anos para chegar perto o suficiente para colidir. No entanto, algumas estrelas de nêutrons binárias podem ser capazes de se fundir muito mais rápido; por exemplo, PSR J0737-3039 – o único pulsar duplo descoberto até agora – é um sistema binário de estrela de nêutrons relativamente jovem que se fundirá em uma escala de tempo de 85 milhões de anos.
Dvorkin acrescenta: “Na minha opinião, a fração de fusões rápidas precisa ser mais estudada, pois é claramente central para a questão da produção inicial de elementos pesados.”
Se um número significativo de estrelas de nêutrons binárias puder passar por fusões rápidas, isso irá acelerar a taxa em que elas enriquecem o meio interestelar – o gás e a poeira entre as estrelas – com elementos do processo r.
Watson, que fez a descoberta-chave de estrôncio no pós-brilho kilonova, reconhece que as observações são atualmente contraditórias. “A quantidade de material produzido em pequenas galáxias anãs [com baixa abundância de elementos pesados] é, acredito, amplamente inconsistente com a produção de estrelas de nêutrons”, diz ele. “No entanto, também acredito que pode ser possível que estrelas de nêutrons se fundam em escalas de tempo rápidas.”
Diamantes submicrométricos
Watson aponta outra linha de evidência não considerada nos artigos de Dvorkin ou Kobayashi: os nanodiamantes. Esses são diamantes minúsculos de submícron que podem se formar em uma variedade de ambientes no espaço, de regiões de formação de estrelas a colisões de asteróides, mas alguns nanodiamantes também contêm elementos do processo r. Uma vez que as colisões de estrelas de nêutrons não produzem nanodiamantes, a única outra fonte possível de nanodiamantes enriquecidos com processo r são as supernovas, diz Watson.
Embora a dispersão nas razões dos elementos do processo r para os elementos do grupo de ferro observada pela equipe de Dvorkin pareça descartar supernovas comuns, Kobayashi propõe um novo tipo de estrela explodindo chamada supernova magneto-rotacional. No entanto, não há evidências diretas da existência de tais supernovas e o debate sobre a origem dos elementos do processo r continuará a roncar.
Publicado em 28/10/2020 21h57
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