A detecção de partículas produzidas pelo núcleo do Sol apóia a teoria de longa data sobre como nossa estrela é alimentada.
Ao capturar neutrinos que emanam do núcleo do Sol, os físicos preencheram os últimos detalhes ausentes de como a fusão nuclear alimenta a estrela.
A detecção confirma as previsões teóricas de décadas que parte da energia do Sol é feita por uma cadeia de reações envolvendo núcleos de carbono e nitrogênio. Esse processo funde quatro prótons para formar um núcleo de hélio, que libera dois neutrinos – as partículas elementares mais leves conhecidas da matéria, além de outras partículas subatômicas e quantidades abundantes de energia. Essa reação carbono-nitrogênio (CN) não é o único caminho de fusão do Sol: produz menos de 1% da energia do Sol. Mas acredita-se que seja a fonte de energia dominante em estrelas maiores. Os resultados marcam a primeira detecção direta de neutrinos desse processo.
“É intelectualmente belo confirmar uma das previsões fundamentais da teoria da estrutura estelar”, diz Marc Pinsonneault, astrofísico da Ohio State University em Columbus.
As descobertas, que ainda não foram revisadas por pares, foram relatadas em 23 de junho pelo experimento subterrâneo de Borexino, no centro da Itália, na conferência virtual Neutrino 2020.
A instalação foi a primeira a detectar diretamente neutrinos a partir de três etapas distintas de uma reação separada, denominada cadeia próton-próton, responsável pela maior parte da fusão do Sol 1-3. “Com esse resultado, Borexino desvendou completamente os dois processos que alimentam o Sol”, disse Gioacchino Ranucci, co-porta-voz da Borexino, físico da Universidade de Milão, na Itália, que apresentou os resultados.
As descobertas são um marco final para a Borexino, que ainda está recebendo dados, mas que pode ser encerrado em um ano. “Terminamos com um estrondo”, diz o outro co-porta-voz da experiência, Marco Pallavicini, físico da Universidade de Gênova, Itália.
Detector de balão
O experimento solar-neutrino Borexino ocupa um salão sob mais de um quilômetro de rocha nos Laboratórios Nacionais Gran Sasso, perto de L’Aquilla, Itália, onde está em operação desde 2007. O detector consiste em um balão gigante de nylon cheio de 278 toneladas de hidrocarbonetos líquidos, imersos em água. A grande maioria dos neutrinos do Sol percorre a Terra – e Borexino – em linha reta, mas um pequeno número ricocheteia elétrons nos hidrocarbonetos, produzindo flashes de luz captados pelos sensores de fótons que revestem o tanque de água.
Os neutrinos da cadeia de reação CN do Sol são relativamente raros, porque são responsáveis ??por apenas uma pequena fração da fusão solar. Além disso, é fácil confundir os neutrinos CN com os produzidos pelo decaimento radioativo do bismuto-210, um isótopo que vaza do nylon do balão para a mistura de hidrocarbonetos.
Embora a contaminação exista em concentrações extremamente baixas – no máximo algumas dezenas de núcleos de bismuto decaem por dia dentro de Borexino – separar o sinal solar do ruído do bismuto exigiu um esforço meticuloso que começou em 2014. O bismuto-210 não pôde ser evitado de vazar do balão, então o objetivo era diminuir a taxa na qual o elemento se infiltrava no meio do fluido, ignorando os sinais da borda externa. Para fazer isso, a equipe teve que controlar qualquer desequilíbrio de temperatura no tanque, o que produziria convecção e misturaria seu conteúdo mais rapidamente. “O líquido deve estar extraordinariamente imóvel, movendo-se no máximo alguns décimos de centímetros por mês”, diz Pallavicini.
Para manter os hidrocarbonetos a uma temperatura constante e uniforme, embrulharam o tanque inteiro em uma manta isolante e instalaram trocadores de calor para equilibrar automaticamente a temperatura. Então eles esperaram. Foi apenas em 2019 que o ruído do bismuto ficou quieto o suficiente para o sinal de neutrino se destacar. No início de 2020, os pesquisadores haviam coletado o suficiente de partículas para afirmar definitivamente que haviam detectado neutrinos da cadeia de fusão nuclear da CN.
“É a primeira evidência realmente direta de que a queima de hidrogênio através da CN opera em estrelas”, diz Aldo Serenelli, astrofísico do Instituto de Ciências Espaciais de Barcelona, ??Espanha. “Então isso é realmente incrível.”
Especulação da superfície do sol
Além de confirmar previsões teóricas sobre o que alimenta o Sol, a detecção de neutrinos da CN poderia lançar luz sobre a estrutura de seu núcleo – especificamente as concentrações de elementos que os astrofísicos chamam de metais (qualquer coisa mais pesada que o hidrogênio e o hélio).
As quantidades de neutrinos vistas por Borexino parecem consistentes com os modelos padrão nos quais a ‘metalicidade’ do núcleo do Sol é semelhante à de sua superfície. Porém, estudos mais atualizados começaram a questionar essa suposição, diz Serenelli.
Esses estudos sugerem que a metalicidade é menor. E como esses elementos regulam a rapidez com que o calor se difunde do núcleo do Sol, isso implica que ele é um pouco mais frio do que as estimativas anteriores. A produção de neutrinos é extremamente sensível à temperatura e, juntas, as várias quantidades de neutrinos vistas por Borexino parecem ser consistentes com os valores mais antigos de metalicidade – não com os novos, diz Serenelli.
Como possível explicação, ele e outros astrofísicos sugeriram que o núcleo tem maior metalicidade do que as camadas externas. Sua composição poderia revelar mais sobre os estágios iniciais da vida do Sol, antes da formação dos planetas remover alguns dos metais que estavam se acumulando na jovem estrela.
Publicado em 25/06/2020 20h20
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