Primeira identificação de um elemento pesado nascido de colisão de estrelas de nêutrons

Uma equipe de pesquisadores europeus, usando dados do instrumento X-shooter no Very Large Telescope do ESO, encontrou assinaturas de estrôncio formadas em uma fusão de estrelas de nêutrons. A impressão deste artista mostra duas estrelas de nêutrons minúsculas, mas muito densas, no ponto em que elas se fundem e explodem como um kilonova. Em primeiro plano, vemos uma representação do estrôncio recém-criado. Crédito: ESO / L. Calçada / M. Kornmesser

Pela primeira vez, um elemento pesado recém-fabricado, o estrôncio, foi detectado no espaço após uma fusão de duas estrelas de nêutrons. Esta descoberta foi observada pelo espectrógrafo X-shooter do ESO no Very Large Telescope (VLT) e é publicada hoje na Nature. A detecção confirma que os elementos mais pesados ??do Universo podem se formar em fusões de estrelas de nêutrons, fornecendo uma peça que falta no quebra-cabeça da formação de elementos químicos.

Em 2017, após a detecção de ondas gravitacionais que passam pela Terra, o ESO apontou seus telescópios no Chile, incluindo o VLT, para a fonte: uma fusão de estrelas de nêutrons chamada GW170817. Os astrônomos suspeitavam que, se elementos mais pesados ??se formarem em colisões de estrelas de nêutrons, as assinaturas desses elementos poderiam ser detectadas em kilonova, as conseqüências explosivas dessas fusões. Foi isso que uma equipe de pesquisadores europeus fez agora, usando dados do instrumento X-shooter no VLT do ESO.

Após a fusão do GW170817, a frota de telescópios do ESO começou a monitorar a explosão emergente de kilonova em uma ampla gama de comprimentos de onda. O X-shooter, em particular, levou uma série de espectros do ultravioleta ao infravermelho próximo. A análise inicial desses espectros sugeria a presença de elementos pesados ??no kilonova, mas os astrônomos não podiam identificar elementos individuais até agora.

“Reanalisando os dados de 2017 da fusão, identificamos a assinatura de um elemento pesado nesta bola de fogo, o estrôncio, provando que a colisão de estrelas de nêutrons cria esse elemento no Universo”, diz o principal autor do estudo, Darach Watson, do Universidade de Copenhague, na Dinamarca. Na Terra, o estrôncio é encontrado naturalmente no solo e está concentrado em certos minerais. Seus sais são usados ??para dar aos fogos uma cor vermelha brilhante.

Os astrônomos conhecem os processos físicos que criam os elementos desde os anos 50. Nas décadas seguintes, eles descobriram os locais cósmicos de cada uma dessas grandes forjas nucleares, exceto uma. “Este é o estágio final de uma busca de décadas para determinar a origem dos elementos”, diz Watson. “Sabemos agora que os processos que criaram os elementos ocorreram principalmente em estrelas comuns, em explosões de supernovas ou nas camadas externas de estrelas antigas. Mas, até agora, não sabíamos a localização do processo final, ainda não descoberto, conhecido como captura rápida de nêutrons, que criou os elementos mais pesados ??da tabela periódica “.

A captura rápida de nêutrons é um processo no qual um núcleo atômico captura nêutrons com rapidez suficiente para permitir a criação de elementos muito pesados. Embora muitos elementos sejam produzidos nos núcleos das estrelas, a criação de elementos mais pesados ??que o ferro, como o estrôncio, requer ambientes ainda mais quentes, com muitos nêutrons livres. A captura rápida de nêutrons ocorre apenas naturalmente em ambientes extremos, onde os átomos são bombardeados por um grande número de nêutrons.

“É a primeira vez que podemos associar diretamente o material recém-criado, formado por captura de nêutrons, com uma fusão de nêutrons, confirmando que as estrelas são feitas de nêutrons e vinculando o processo de captura rápida de nêutrons há muito debatido a essas fusões”, diz Camilla Juul Hansen, do Instituto Max Planck de Astronomia, em Heidelberg, que desempenhou um papel importante no estudo.

Só agora os cientistas estão começando a entender melhor as fusões de estrelas de nêutrons e as kilonova. Devido à compreensão limitada desses novos fenômenos e outras complexidades nos espectros que o X-shooter do VLT tomou da explosão, os astrônomos não foram capazes de identificar elementos individuais até agora.

“Na verdade, tivemos a ideia de que poderíamos ver estrôncio muito rapidamente após o evento. No entanto, mostrar que esse foi comprovadamente o caso se mostrou muito difícil. Essa dificuldade foi devido ao nosso conhecimento altamente incompleto da aparência espectral de os elementos mais pesados ??da tabela periódica “, diz Jonatan Selsing, pesquisador da Universidade de Copenhague, que foi o principal autor do artigo.

A fusão do GW170817 foi a quinta detecção de ondas gravitacionais, possível graças ao Observatório de Ondas Gravitacionais a Laser (NIG) do NSF, nos EUA, e ao Virgo, na Itália. Localizada na galáxia NGC 4993, a fusão foi a primeira e até agora a única fonte de ondas gravitacionais a ter sua contraparte visível detectada por telescópios na Terra.

Com os esforços combinados de LIGO, Virgo e VLT, temos o entendimento mais claro ainda do funcionamento interno das estrelas de nêutrons e de suas fusões explosivas.

Esta pesquisa foi apresentada em um artigo publicado na Nature em 24 de outubro de 2019.

Publicado em 29/10/2019

Artigo original: https://phys.org/news/2019-10-identification-heavy-element-born-neutron.html e https://www.nature.com/articles/s41586-019-1676-3