De onde vem o ouro? Novas informações sobre a síntese de elementos no Universo

Como é que os elementos químicos são produzidos no nosso Universo? De onde vêm os elementos pesados como ouro e urânio? Usando simulações de computador, uma equipa de investigação da Associação Helmholtz dos Centros de Investigação da Alemanha, em Darmstadt, juntamente com colegas da Bélgica e do Japão, mostra que a síntese de elementos pesados é típica para certos buracos negros com discos de acreção. A abundância prevista dos elementos formados fornece uma visão sobre quais os elementos pesados que precisam de ser estudados em laboratórios futuros – como o FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), atualmente em construção – e assim desvendar a origem dos elementos pesados. Os resultados foram publicados na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Todos os elementos pesados do planeta Terra foram formados sob condições extremas em ambientes astrofísicos: no interior das estrelas, em explosões estelares e durante a colisão de estrelas de neutrões. Os cientistas estão intrigados com a questão de quais destes eventos astrofísicos têm as condições apropriadas para a formação dos elementos mais pesados, como o ouro ou o urânio. A primeira espetacular observação de ondas gravitacionais e radiação eletromagnética originária de uma fusão de estrelas de neutrões, em 2017, sugeriu que muitos elementos pesados podem ser produzidos e libertados nestas colisões cósmicas. No entanto, as questões de quando e porque é que o material é ejetado, e se podem existir outros cenários em que elementos pesados são produzidos, permanecem em aberto.

Os buracos negros com discos de acreção em órbita, densos e quentes, são candidatos promissores para a produção de elementos pesados. Tal sistema é formado tanto após a fusão de duas estrelas de neutrões massivas quanto durante o chamado colapsar, o colapso e subsequente explosão de uma estrela em rotação. A composição interna de tais discos de acreção ainda não é bem compreendida, particularmente no que diz respeito às condições sob as quais se forma um excesso de neutrões. Um número elevado de neutrões é um requisito básico para a síntese de elementos pesados, pois permite o processo de captura rápida de neutrões, também denominado “processo r”. Os neutrinos, quase sem massa, desempenham um papel fundamental neste processo, pois permitem a conversão entre protões e neutrões.

“No nosso estudo, investigámos sistematicamente pela primeira vez as taxas de conversão de neutrões e protões para um grande número de configurações de disco por meio de elaboradas simulações de computador e descobrimos que os discos são muito ricos em neutrões, desde que estejam presentes certas condições,” explica o Dr. Oliver Just do grupo de Astrofísica Relativista pertencente à divisão de investigação teórica da Associação Helmholtz dos Centros de Investigação da Alemanha. “O fator decisivo é a massa total do disco. Quanto mais massivo o disco, mais frequentemente os neutrões são formados a partir de protões por meio da captura de eletrões sob emissão de neutrinos, e estão disponíveis para a síntese de elementos pesados através do processo r. No entanto, se a massa do disco for muito alta, a reação inversa desempenha um papel maior, de modo que mais neutrinos são recapturados pelos neutrões antes de saírem do disco. Estes neutrões são então convertidos de volta para protões, o que atrapalha o processo r.” Como mostra o estudo, a massa ótima do disco, para a produção prolífica de elementos pesados, é de cerca de 0,01 a 0,1 massas solares. O resultado fornece fortes evidências de que as fusões de estrelas de neutrões, que produzem discos de acreção com estas massas, podem ser o ponto de origem para uma grande fração dos elementos pesados. No entanto, ainda não está claro se e com que frequência tais discos de acreção ocorrem em sistemas colapsares.

Além dos possíveis processos de ejeção de massa, o grupo de investigação liderado pelo Dr. Andreas Bauswein também está a investigar os sinais de luz produzidos pela matéria ejetada, que serão usados para inferir a massa e a composição da matéria ejetada em futuras observações da colisão de estrelas de neutrões. Um bloco de construção importante para a leitura correta destes sinais de luz é o conhecimento preciso das massas e de outras propriedades dos elementos recém-formados. “Estes dados são atualmente insuficientes. Mas com a próxima geração de aceleradores, como o FAIR, será possível medi-los com uma precisão sem precedentes. A interação bem coordenada de modelos teóricos, experiências e observações astronómicas permitirá com que nós, investigadores, nos próximos anos, testemos fusões de estrelas de neutrões como a origem dos elementos do processo r,” prevê Bauswein.

// Associação Helmholtz dos Centros de Investigação da Alemanha (comunicado de imprensa)
// FAIR (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Saiba mais:

Processo r:
Wikipedia

Colapsar:
Wikipedia

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland

Buracos negros:
Wikipedia
Disco de acreção (Wikipedia)

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia
Astronomia de ondas gravitacionais – Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço – Universe Today
Detetores: como funcionam – Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais – Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

FAIR:
Página oficial
Wikipedia