Quase todo o oxigênio em nosso universo é forjado nas barrigas de estrelas massivas como o nosso sol. À medida que essas estrelas se contraem e queimam, elas desencadeiam reações termonucleares em seus núcleos, onde núcleos de carbono e hélio podem colidir e fundir-se em uma reação nuclear rara, embora essencial, que gera grande parte do oxigênio no universo.
A taxa dessa reação geradora de oxigênio tem sido incrivelmente difícil de determinar. Mas se os pesquisadores puderem obter uma estimativa suficientemente boa do que é conhecido como “taxa de reação de captura radiativa”, eles poderão começar a elaborar as respostas para questões fundamentais, como a proporção de carbono e oxigênio no universo. Uma taxa precisa também pode ajudá-los a determinar se uma estrela explosiva se instalará na forma de um buraco negro ou de uma estrela de nêutrons.
Agora, os físicos do Laboratório de Ciências Nucleares (LNS) do MIT elaboraram um projeto experimental que poderia ajudar a determinar a taxa dessa reação geradora de oxigênio. A abordagem requer um tipo de acelerador de partículas que ainda está em construção, em vários locais do mundo. Uma vez em funcionamento, esses aceleradores lineares de “multimegawatt” podem fornecer as condições certas para executar a reação geradora de oxigênio em sentido inverso, como se estivesse atrasando o relógio da formação de estrelas.
Os pesquisadores dizem que essa “reação inversa” deve dar a eles uma estimativa da taxa de reação que realmente ocorre nas estrelas, com maior precisão do que foi alcançado anteriormente.
“A descrição do trabalho de um físico é entender o mundo e, no momento, não entendemos de onde vem o oxigênio no universo e como são produzidos o oxigênio e o carbono”, diz Richard Milner, professor de física na MIT “Se estivermos certos, essa medida nos ajudará a responder a algumas dessas questões importantes da física nuclear sobre a origem dos elementos”.
Milner é co-autor de um artigo publicado na revista Physical Review C, juntamente com o autor principal e pós-doc do MIT-LNS, Ivica Friš?i?, e o pesquisador sênior do Centro de Física Teórica do MIT, T. William Donnelly.
Uma queda precipitada
A taxa de reação de captura radiativa refere-se à reação entre um núcleo de carbono-12 e um núcleo de hélio, também conhecido como partícula alfa, que ocorre dentro de uma estrela. Quando esses dois núcleos colidem, o núcleo de carbono “efetivamente captura” a partícula alfa e, no processo, é excitado e irradia energia na forma de um fóton. O que é deixado para trás é um núcleo de oxigênio-16, que acaba decaindo para uma forma estável de oxigênio que existe em nossa atmosfera.
Mas as chances dessa reação ocorrer naturalmente em uma estrela são incrivelmente reduzidas, devido ao fato de que tanto uma partícula alfa quanto um núcleo de carbono-12 são altamente carregados positivamente. Se eles entram em contato próximo, eles naturalmente tendem a se repelir, no que é conhecido como força de Coulomb. Para se fundir para formar oxigênio, o par teria que colidir com energias suficientemente altas para superar a força de Coulomb – uma ocorrência rara. Uma taxa de reação extremamente baixa seria impossível de detectar nos níveis de energia que existem nas estrelas.
Nas últimas cinco décadas, os cientistas tentaram simular a taxa de reação de captura radiativa, em pequenos e poderosos aceleradores de partículas. Eles fazem isso colidindo raios de hélio e carbono na esperança de fundir núcleos de ambos os raios para produzir oxigênio. Eles foram capazes de medir essas reações e calcular as taxas de reação associadas. No entanto, as energias nas quais esses aceleradores colidem partículas são muito maiores do que o que ocorre em uma estrela, tanto que as estimativas atuais da taxa de reação geradora de oxigênio são difíceis de extrapolar para o que realmente ocorre nas estrelas.
“Essa reação é bastante conhecida nas energias mais altas, mas cai vertiginosamente à medida que você diminui a energia, em direção à interessante região astrofísica”, diz Friš?i?.
Tempo, ao contrário
No novo estudo, a equipe decidiu ressuscitar uma noção anterior, para produzir o inverso da reação geradora de oxigênio. O objetivo, essencialmente, é partir do gás oxigênio e dividir seu núcleo em seus ingredientes iniciais: uma partícula alfa e um núcleo de carbono-12. A equipe argumentou que a probabilidade da reação acontecer ao contrário deveria ser maior e, portanto, mais facilmente mensurada, do que a mesma reação. A reação inversa também deve ser possível em energias mais próximas da faixa de energia dentro das estrelas reais.
Para dividir o oxigênio, eles precisariam de um feixe de alta intensidade, com uma concentração super alta de elétrons. (Quanto mais elétrons bombardeiam uma nuvem de átomos de oxigênio, maior a chance de um elétron entre bilhões ter a energia e o momento certos para colidir e dividir um núcleo de oxigênio.)
A idéia se originou com o colega cientista de pesquisa do MIT Genya Tsentalovich, que liderou um experimento proposto no anel de armazenamento de elétrons do MIT-Bates South Hall em 2000. Embora o experimento nunca tenha sido realizado no acelerador Bates, que parou de operar em 2005, Donnelly e Milner sentiu que a ideia merecia ser estudada em detalhes. Com o início da construção de aceleradores lineares de próxima geração na Alemanha e na Universidade de Cornell, tendo a capacidade de produzir feixes de elétrons de intensidade ou corrente suficientemente alta para desencadear potencialmente a reação inversa e a chegada de Friš?i? ao MIT em 2016, o estudo começou.
“A possibilidade dessas novas máquinas elétricas de alta intensidade, com dezenas de miliamperes de corrente, despertou nosso interesse nessa idéia [reação inversa]”, diz Milner.
A equipe propôs um experimento para produzir a reação inversa disparando um feixe de elétrons em uma nuvem fria e ultradensa de oxigênio. Se um elétron colidir com sucesso e dividir um átomo de oxigênio, ele deve se dispersar com uma certa quantidade de energia, que os físicos previram anteriormente. Os pesquisadores isolariam as colisões envolvendo elétrons dentro desse intervalo de energia e, a partir deles, isolariam as partículas alfa produzidas no rescaldo.
As partículas alfa são produzidas quando os átomos de O-16 se separam. A divisão de outros isótopos de oxigênio também pode resultar em partículas alfa, mas elas se dispersariam um pouco mais rápido – cerca de 10 nanossegundos mais rápido – do que as partículas alfa produzidas pela divisão de átomos de O-16. Portanto, a equipe concluiu que isolaria as partículas alfa um pouco mais lentas, com um “tempo de voo” um pouco mais curto.
Os pesquisadores puderam calcular a taxa da reação inversa, considerando a frequência com que as partículas alfa mais lentas – e por proxy, a divisão dos átomos de O-16 – ocorreu. Eles então desenvolveram um modelo para relacionar a reação inversa à reação direta direta da produção de oxigênio que ocorre naturalmente nas estrelas.
“Estamos essencialmente fazendo a reação de reversão do tempo”, diz Milner. “Se você medir isso com a precisão de que estamos falando, poderá extrair diretamente a taxa de reação, por fatores de até 20 além do que alguém já fez nesta região”.
Atualmente, um acelerador linear de multimegawatt, MESA, está em construção na Alemanha. Friš?i? e Milner estão colaborando com os físicos de lá para projetar o experimento, na esperança de que, uma vez em funcionamento, eles possam colocar seu experimento em ação para realmente determinar a taxa na qual as estrelas produzem oxigênio no universo.
“Se estivermos certos, e fizermos essa medição, nos permitirá responder quanto carbono e oxigênio são formados nas estrelas, que é a maior incerteza que temos em nossa compreensão de como as estrelas evoluem”, diz Milner.
Publicado em 25/09/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-08-physicists-pin-elements.html
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