doi.org/10.1126/science.adf1341
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#Estrelas de Nêutrons
“À medida que adquirimos mais observações, o cosmos está dizendo ‘ei, há uma assinatura aqui, e ela só pode vir da fissão.'”
Os cientistas descobriram a primeira indicação de fissão nuclear ocorrendo entre as estrelas. A descoberta apoia a ideia de que quando as estrelas de nêutrons se colidem, criam elementos “superpesados” – mais pesados que os elementos mais pesados da tabela periódica – que depois se decompõem através da fissão nuclear para dar origem a elementos como o ouro nas suas joias.
A fissão nuclear é basicamente o oposto da fusão nuclear. Enquanto a fusão nuclear se refere à destruição de elementos mais leves para criar elementos mais pesados, a fissão nuclear é um processo que libera energia quando elementos pesados se separam para criar elementos mais leves. A fissão nuclear também é bastante conhecida. Na verdade, é a base das usinas nucleares geradoras de energia aqui na Terra – no entanto, não tinha sido visto ocorrendo entre as estrelas até agora.
“As pessoas pensavam que a fissão estava acontecendo no cosmos, mas até o momento ninguém foi capaz de provar isso”, disse Matthew Mumpower, coautor da pesquisa e cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos, em um comunicado.
A equipe de pesquisadores liderada pelo cientista da Universidade Estadual da Carolina do Norte, Ian Roederer, pesquisou dados relativos a uma ampla gama de elementos nas estrelas para descobrir a primeira evidência de que a fissão nuclear poderia, portanto, estar agindo quando as estrelas de nêutrons se fundem. Estas descobertas podem ajudar a resolver o mistério de onde vêm os elementos pesados do universo.
Os cientistas sabem que a fusão nuclear não é apenas a fonte primária de energia das estrelas, mas também a força que forja uma variedade de elementos, sendo o “mais pesado” o ferro.
O quadro da chamada nucleossíntese de elementos mais pesados como o ouro e o urânio, contudo, tem sido um pouco mais misterioso. Os cientistas suspeitam que esses elementos pesados valiosos e raros são criados quando duas estrelas mortas incrivelmente densas – estrelas de nêutrons – colidem e se fundem, criando um ambiente violento o suficiente para forjar elementos que não podem ser criados mesmo nos corações mais turbulentos das estrelas.
A evidência de fissão nuclear descoberta por Mumpower e pela equipe vem na forma de uma correlação entre “metais leves de precisão”, como a prata, e “núcleos de terras raras”, como o európio, aparecendo em algumas estrelas. Quando um desses grupos de elementos aumenta, os elementos correspondentes do outro grupo também aumentam, observaram os cientistas.
A pesquisa da equipe também indica que elementos com massas atômicas – contagens de prótons e nêutrons em um núcleo atômico – maior que 260 podem existir em torno de estrelas de nêutrons, mesmo que essa existência seja breve. Isso é muito mais pesado do que muitos dos elementos da “extremidade pesada” da tabela periódica.
“A única maneira plausível de isto surgir entre estrelas diferentes é se existir um processo consistente operando durante a formação dos elementos pesados”, disse Mumpower. “Isto é incrivelmente profundo e é a primeira evidência de fissão operando no cosmos, confirmando uma teoria que propusemos há vários anos.”
“À medida que adquirimos mais observações, o cosmos diz: ‘ei, há uma assinatura aqui, e ela só pode vir da fissão.'”
Estrelas de nêutrons e fissão nuclear
As estrelas de nêutrons são criadas quando estrelas massivas atingem o fim dos seus fornecimentos de combustível necessários para os processos intrínsecos de fusão nuclear, o que significa que a energia que as tem sustentado contra o impulso da sua própria gravidade cessa. À medida que as camadas exteriores destas estrelas moribundas são destruídas, os núcleos estelares com massas entre uma e duas vezes a do Sol colapsam numa largura de cerca de 20 quilómetros.
Este colapso do núcleo acontece tão rapidamente que elétrons e prótons são forçados a unir-se, criando um mar de nêutrons tão denso que uma mera colher de sopa desta “coisa” de estrela de nêutrons pesaria mais de bilhões de toneladas se fosse trazida para a Terra.
Quando essas estrelas extremas existem em um par binário, elas giram em torno uma da outra. E à medida que giram em torno um do outro, perdem momento angular porque emitem ondulações intangíveis no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Isto faz com que as estrelas de nêutrons acabem por colidir, fundir-se e, sem surpresa, dada a sua natureza extrema e exótica, criar um ambiente muito violento.
Esta fusão definitiva de estrelas de nêutrons libera uma grande quantidade de nêutrons livres, que são partículas normalmente ligadas a prótons em núcleos atômicos. Isso pode permitir que outros núcleos atômicos nesses ambientes capturem rapidamente esses nêutrons livres – um processo chamado captura rápida de nêutrons ou “processo r”. Isso permite que os núcleos atômicos fiquem mais pesados, criando elementos superpesados que são instáveis. Esses elementos superpesados podem então sofrer fissão para se dividirem em elementos mais leves e estáveis, como o ouro.
Em 2020, Mumpower previu como os “fragmentos de fissão” dos núcleos criados pelo processo R seriam distribuídos. Depois disso, Nicole Vassh, colaboradora de Mumpower e cientista do TRIUMF, calculou como o processo r levaria à coprodução de metais leves de precisão, como rutênio, ródio, paládio e prata – bem como núcleos de terras raras, como európio, gadolínio, disprósio e hólmio.
Esta previsão pode ser testada não apenas observando as fusões de estrelas de nêutrons, mas também observando a abundância de elementos em estrelas que foram enriquecidas por material criado pelo processo-r.
Esta nova pesquisa analisou 42 estrelas e encontrou a correlação precisa prevista por Vassh, mostrando assim uma assinatura clara da fissão e decaimento de elementos mais pesados do que os encontrados na tabela periódica, confirmando ainda que as colisões de estrelas de nêutrons são de fato os locais onde os elementos mais pesados do que o ferro é forjado.
“A correlação é muito robusta em estrelas aprimoradas pelo processo r, onde temos dados suficientes. Cada vez que a natureza produz um átomo de prata, ela também produz núcleos de terras raras mais pesados em proporção. A composição desses grupos de elementos está em sincronia”, concluiu Mumpower. “Mostramos que apenas um mecanismo pode ser responsável – fissão – e as pessoas vêm quebrando a cabeça sobre isso desde a década de 1950.”
A pesquisa da equipe foi publicada na edição de 6 de dezembro da revista Science.
Publicado em 07/01/2024 13h09
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