.
Como é o interior do núcleo de um átomo de carbono? Um novo estudo do Forschungszentrum Jülich, da Michigan State University (EUA) e da Universidade de Bonn fornece a primeira resposta abrangente a essa pergunta. No estudo, os pesquisadores simularam todos os estados de energia conhecidos do núcleo. Isso inclui o intrigante estado de Hoyle. Se não existisse, o carbono e o oxigênio estariam presentes no universo apenas em minúsculos traços. Em última análise, portanto, também devemos a ela nossa própria existência. O estudo já foi publicado na revista Natureza Comunicações.
O núcleo de um átomo de carbono normalmente consiste em seis prótons e seis nêutrons. Mas como exatamente eles são organizados? E como sua configuração muda quando o núcleo é bombardeado com radiação de alta energia? Por décadas, a ciência tem buscado respostas para essas perguntas. Até porque eles poderiam fornecer a chave para um mistério que há muito intriga os físicos: por que existe uma quantidade significativa de carbono no espaço – um átomo sem o qual não haveria vida na Terra?
Afinal, logo após o Big Bang, havia apenas hidrogênio e hélio. O núcleo de hidrogênio consiste de um único próton, o de hélio de dois prótons e dois nêutrons. Todos os elementos mais pesados só foram criados muitos bilhões de anos depois por estrelas envelhecidas. Neles, os núcleos de hélio se fundiam em núcleos de carbono a uma pressão imensa e temperaturas extremamente altas. Isso requer três núcleos de hélio para se fundirem. “Mas é realmente muito improvável que isso aconteça”, explica o Prof. Dr. Ulf Meißner do Instituto Helmholtz de Radiação e Física Nuclear da Universidade de Bonn e do Instituto de Simulação Avançada de Forschungszentrum Jülich. O motivo: os núcleos de hélio juntos têm uma energia muito maior do que um núcleo de carbono. No entanto, isso não significa que eles se fundem com facilidade – pelo contrário: é como se três pessoas quisessem pular em um carrossel. Mas como eles correm muito mais rápido do que as curvas do carrossel, eles não conseguem.
Simulação no supercomputador
Já na década de 1950, o astrônomo britânico Fred Hoyle postulou que os três núcleos de hélio primeiro se juntam para formar uma espécie de estado de transição. Este “estado de Hoyle” tem uma energia muito semelhante aos núcleos de hélio. Para ficar na foto: é uma versão de giro mais rápido do carrossel, na qual os três passageiros podem pular facilmente. Quando isso acontece, o carrossel diminui para sua velocidade normal. “Apenas fazendo um desvio pelo estado de Hoyle, as estrelas podem criar carbono em qualquer quantidade apreciável”, diz Meißner, que também é membro das Áreas de Pesquisa Transdisciplinar “Modelagem” e “Matéria” da Universidade de Bonn.
Cerca de dez anos atrás, junto com colegas dos EUA, Forschungszentrum Jülich e Ruhr-Universität Bochum, ele conseguiu simular esse estado de Hoyle pela primeira vez. “Já tínhamos uma ideia de como os prótons e nêutrons do núcleo de carbono estão dispostos nesse estado”, explica. “No entanto, não fomos capazes de provar com certeza que essa suposição era verdadeira.” Com a ajuda de um método avançado, os pesquisadores agora conseguiram. Isso se baseia essencialmente no confinamento: na realidade, os prótons e nêutrons – os núcleons – podem estar localizados em qualquer lugar do espaço. Para seus cálculos, no entanto, a equipe restringiu essa liberdade: “Arranjamos nossas partículas nucleares nos nós de uma rede tridimensional”, explica Meißner. “Portanto, permitimos a eles apenas certas posições estritamente definidas.”
Tempo de computação: cinco milhões de horas de processador
Graças a essa restrição, foi possível calcular o movimento dos núcleons. Como as partículas nucleares afetam umas às outras de maneira diferente, dependendo da distância umas das outras, essa tarefa é muito complexa. Os pesquisadores também executaram sua simulação vários milhões de vezes com condições iniciais ligeiramente diferentes. Isso permitiu que eles vissem onde os prótons e nêutrons provavelmente estariam. “Realizamos esses cálculos para todos os estados de energia conhecidos do núcleo de carbono”, diz Meißner. Os cálculos foram realizados no supercomputador JEWELS em Forschungszentrum Jülich. Eles exigiam um total de cerca de cinco milhões de horas de processador, com muitos milhares de processadores trabalhando simultaneamente.
Os resultados fornecem efetivamente imagens do núcleo de carbono. Eles provam que as partículas nucleares não existem independentemente umas das outras. “Em vez disso, eles estão agrupados em grupos de dois nêutrons e dois prótons cada”, explica o físico. Isso significa que os três núcleos de hélio ainda podem ser detectados depois de se fundirem para formar o núcleo de carbono. Dependendo do estado de energia, eles estão presentes em diferentes formações espaciais – dispostos em um triângulo isósceles ou como um braço ligeiramente dobrado, com o ombro, a articulação do cotovelo e o pulso cada um ocupado por um grupo.
O estudo não só permite aos pesquisadores entender melhor a física do núcleo de carbono. Meißner: “Os métodos que desenvolvemos podem ser facilmente usados para simular outros núcleos e certamente levarão a percepções totalmente novas.”
Instituições participantes e financiamento:
Forschungszentrum Jülich, Michigan State University (EUA), a China Academy of Engineering Physics e a University of Bonn estiveram envolvidos no estudo. O trabalho foi possível graças ao financiamento da Fundação de Pesquisa Alemã, da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Fundação Volkswagen, do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC), do Departamento de Energia dos EUA, da Agência Nuclear Iniciativa Computacional de Baixa Energia (NUCLEI) e Gauss Center for Supercomputing eV
.
