A taxa recém-medida de um processo fundamental de fusão nuclear do Big Bang corresponde à imagem do universo 380.000 anos depois.
Em um laboratório isolado enterrado sob uma montanha na Itália, os físicos recriaram uma reação nuclear que aconteceu entre dois e três minutos após o Big Bang.
Sua medição da taxa de reação, publicada hoje na Nature, determina o fator mais incerto em uma sequência de etapas conhecida como nucleossíntese do Big Bang que forjou os primeiros núcleos atômicos do universo.
Os pesquisadores estão “maravilhados” com o resultado, de acordo com Ryan Cooke, astrofísico da Durham University, no Reino Unido, que não esteve envolvido no trabalho. “Haverá muitas pessoas interessadas em física de partículas, física nuclear, cosmologia e astronomia”, disse ele.
A reação envolve deutério, uma forma de hidrogênio que consiste em um próton e um nêutron que se fundiu nos primeiros três minutos do cosmos. A maior parte do deutério se fundiu rapidamente em elementos mais pesados e estáveis, como o hélio e o lítio. Mas alguns sobreviveram até os dias atuais. “Você tem alguns gramas de deutério em seu corpo, que vem desde o Big Bang”, disse Brian Fields, astrofísico da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign.
A quantidade precisa de deutério que resta revela detalhes importantes sobre aqueles primeiros minutos, incluindo a densidade de prótons e nêutrons e a rapidez com que eles se separaram pela expansão cósmica. O deutério é “uma supertestemunha especial daquela época”, disse Carlo Gustavino, astrofísico nuclear do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália.
Mas os físicos só podem deduzir essas informações se conhecerem a taxa na qual o deutério se funde com um próton para formar o isótopo hélio-3. É essa taxa que a nova medição da colaboração do Laboratório de Astrofísica Nuclear Subterrânea (LUNA) definiu.
A Prova Mais Antiga do Universo
A criação do deutério foi o primeiro passo na nucleossíntese do Big Bang, uma sequência de reações nucleares que ocorreram quando o cosmos era uma sopa superaquecida, mas de resfriamento rápido de prótons e nêutrons.
Começando na década de 1940, os físicos nucleares desenvolveram uma série de equações interligadas que descrevem como vários isótopos de hidrogênio, hélio e lítio se reuniam como núcleos se fundiam e absorviam prótons e nêutrons. (Elementos mais pesados foram forjados muito mais tarde dentro das estrelas.) Desde então, os pesquisadores testaram a maioria dos aspectos das equações, replicando as reações nucleares primordiais em laboratórios.
Ao fazer isso, eles fizeram descobertas radicais. Os cálculos ofereceram algumas das primeiras evidências de matéria escura na década de 1970. A nucleossíntese do Big Bang também permitiu aos físicos prever o número de diferentes tipos de neutrinos, o que ajudou a impulsionar a expansão cósmica.
Mas, por quase uma década, a incerteza sobre a probabilidade de o deutério absorver um próton e se transformar em hélio-3 obscureceu a imagem dos primeiros minutos do universo. Mais importante ainda, a incerteza impediu os físicos de comparar essa imagem com a aparência do cosmos 380.000 anos depois, quando o universo esfriou o suficiente para que os elétrons começassem a orbitar os núcleos atômicos. Este processo liberou radiação denominada radiação cósmica de fundo, que fornece um instantâneo do universo na época.
Os cosmologistas querem verificar se a densidade do cosmos mudou de um período para outro, conforme o esperado, com base em seus modelos de evolução cósmica. Se as duas fotos discordarem, “isso seria algo muito, muito importante de entender”, disse Cooke. Soluções para problemas cosmológicos teimosamente persistentes – como a natureza da matéria escura – podem ser encontradas nesta lacuna, assim como os primeiros sinais de novas partículas exóticas. “Muita coisa pode acontecer entre um ou dois minutos após o Big Bang e várias centenas de milhares de anos após o Big Bang”, disse Cooke.
Mas a importantíssima taxa de reação do deutério que permitiria aos pesquisadores fazer esse tipo de comparação é muito difícil de medir. “Você está simulando o Big Bang no laboratório de forma controlada”, disse Fields.
Os físicos tentaram uma medição pela última vez em 1997. Desde então, as observações da radiação cósmica de fundo tornaram-se cada vez mais precisas, colocando pressão sobre os físicos que estudam a nucleossíntese do Big Bang para corresponderem a essa precisão – e assim permitir uma comparação das duas épocas.
Em 2014, Cooke e co-autores mediram com precisão a abundância de deutério no universo por meio de observações de nuvens de gás distantes. Mas para traduzir essa abundância em uma previsão precisa da densidade da matéria primordial, eles precisavam de uma medida muito melhor da taxa de reação do deutério.
Para complicar ainda mais a situação, uma estimativa puramente teórica para a taxa, publicada em 2016, discordava da medição laboratorial de 1997.
“Era um cenário muito confuso”, disse Gustavino, que é membro da colaboração LUNA. “Nesse ponto, comecei a insistir na colaboração … porque o LUNA poderia medir essa reação com exatidão.”
Uma combinação rara
Parte do desafio em medir a rapidez com que o deutério se funde com um próton é que, em condições de laboratório, a reação não acontece com muita frequência. A cada segundo, o experimento LUNA dispara 100 trilhões de prótons em um alvo de deutério. Apenas alguns por dia se fundirão.
Para aumentar a dificuldade, os raios cósmicos que chovem constantemente na superfície da Terra podem imitar o sinal produzido pelas reações de deutério. “Por esse motivo, estamos em um laboratório subterrâneo onde, graças à cobertura de rocha, podemos nos beneficiar do silêncio cósmico”, disse Francesca Cavanna, que liderou a coleta e análise de dados do LUNA junto com Sandra Zavatarelli.
Durante três anos, os cientistas se revezaram em turnos de uma semana em um laboratório nas profundezas da montanha Gran Sasso, na Itália. “É emocionante porque você realmente sente que está por dentro da ciência”, disse Cavanna. Conforme eles gradualmente coletavam dados, a pressão da comunidade física mais ampla aumentava. “Havia muita expectativa; a expectativa era muita”, disse Marialuisa Aliotta, integrante da equipe.
Acontece que a medição recém-publicada da equipe pode ser uma decepção para cosmologistas que procuram rachaduras em seu modelo de como o universo funciona.
Pequenos passos
A taxa medida – que diz a rapidez com que o deutério tende a se fundir com um próton para formar hélio-3 em toda a faixa de temperaturas encontrada na época da nucleossíntese primordial – pousou entre a previsão teórica de 2016 e a medição de 1997. Mais importante, quando os físicos alimentam essa taxa nas equações da nucleossíntese do Big Bang, eles prevêem uma densidade da matéria primordial e uma taxa de expansão cósmica que se aproximam das observações da radiação cósmica de fundo 380.000 anos depois.
“Essencialmente, isso nos diz que o modelo padrão da cosmologia está, até agora, muito certo”, disse Aliotta.
Isso por si só reduz a lacuna em que os modelos do cosmos da próxima geração devem se encaixar. Especialistas dizem que algumas teorias da matéria escura podem até ser descartadas pelos resultados.
Isso é menos emocionante do que a evidência em favor de novos ingredientes ou efeitos cósmicos exóticos. Mas, nesta era de astronomia de precisão, disse Aliotta, os cientistas procedem “dando pequenos passos”. Fields concordou: “Estamos constantemente tentando fazer melhor no lado da previsão, do lado da medição e do lado da observação.”
No horizonte está a próxima geração de medições cósmicas de fundo em microondas. Enquanto isso, com o comportamento do deutério agora melhor compreendido, as incertezas em outras reações nucleares primordiais e abundâncias elementares se tornam mais prementes.
Uma antiga “mosca na pomada de nucleossíntese do Big Bang”, de acordo com Fields, é que a densidade da matéria calculada a partir do deutério e da radiação cósmica de fundo em micro-ondas prevê que deveria haver três vezes mais lítio no universo do que realmente observamos.
“Ainda há muitas incógnitas”, disse Aliotta. “E o que o futuro trará será muito interessante.”
Publicado em 14/11/2020 09h22
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