Dados experimentais ajudam a desvendar o mistério que envolve a criação de elementos pesados ​​nas estrelas

Como as estrelas nascem e como elas morrem? Como elas produzem a energia que as mantém queimando por bilhões de anos? Como elas criam os elementos que observamos hoje? Respostas definitivas para essas perguntas continuam a iludir os cientistas em sua busca para entender os processos que moldam a composição química do universo.

Embora os detalhes exatos dos processos de reação não sejam claros, entender onde e como os elementos são formados, bem como os processos de formação de estrelas, é essencial para uma imagem abrangente da história, estrutura e evolução do universo.

Recentemente, uma equipe internacional, incluindo pesquisadores do Argonne National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA (DOE), obteve novos dados experimentais que esclarecem como alguns dos elementos mais pesados ​​do universo são formados em estrelas. Esta descoberta começa a responder perguntas fundamentais sobre nossas origens.

Os resultados foram publicados na revista Cartas de revisão física.

Em particular, a equipe obteve as primeiras restrições experimentais para medir a taxa do processo no qual os nêutrons colidem e se fundem com um núcleo do isótopo bário-139 para formar bário-140. Isótopos são membros de uma família de um elemento que todos têm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons. A taxa de reação do bário-139 conforme ele se transforma em bário-140 tem sido uma fonte dominante de incerteza em modelos preditivos usados ​​para determinar a presença de isótopos de elementos pesados ​​em estrelas.

Liderada por Artemis Spyrou, professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade Estadual de Michigan e da Instalação de Feixes de Isótopos Raros (FRIB), e Dennis Mücher, professor do Instituto de Física Nuclear da Universidade de Colônia, Alemanha, a equipe se beneficiou do uso do CARIBU, uma fonte sofisticada de íons radioativos localizada no Sistema Acelerador Tandem Linac Argonne (ATLAS), uma instalação do Departamento de Física Nuclear do DOE em Argonne.

“Agora está claro que a síntese de elementos em estrelas é mais complexa do que se pensava anteriormente”, disse Spyrou. “Somente por meio desse tipo de medição seremos capazes de desembaraçar as contribuições de diferentes processos astrofísicos.”

Os cientistas sabem há muito tempo que os elementos pesados ​​nas estrelas, como bário, lantânio e césio, são criados por meio de processos de nucleossíntese rápida e lenta. A nucleossíntese é a formação de novos núcleos atômicos — os centros de átomos que são compostos de prótons e nêutrons — ou elementos, por vários processos no universo.

Acredita-se que o processo rápido ou “r”, que ocorre em questão de segundos, seja responsável pela nucleossíntese em estrelas em explosão, como supernovas, e as estrelas pequenas e densas que emergem após seu colapso. Por outro lado, acredita-se que o processo lento ou “s” seja responsável pela nucleossíntese principalmente em estrelas mais velhas e brilhantes, próximas do fim da vida.

Observações astronômicas relativamente novas apontam para um caminho de nucleossíntese diferente dos processos rápido e lento. Como algumas estrelas consideradas pobres em metal mostraram padrões incomuns de abundância de certos elementos, os cientistas propuseram um processo intermediário ou “i” para explicar esse fenômeno.

“O que é mais fascinante para mim é que encontramos esses diferentes elementos aqui na Terra e, muitas vezes, sem saber, interagimos com eles quase diariamente”, disse Mücher. “No entanto, ainda não entendemos completamente de onde eles vêm. Agora, temos uma melhor compreensão de que o processo i está de alguma forma relacionado.”

Habilitados pela fonte CARIBU no ATLAS, os cientistas conseguiram estudar isótopos de bário enquanto capturavam nêutrons e eventualmente formavam lantânio — um subproduto do decaimento do bário-139 — e um indicador-chave do processo i. No entanto, determinar essa taxa de captura de nêutrons é especialmente desafiador porque a meia-vida do bário-139 é de apenas 83 minutos.

Com o auxílio de certas técnicas experimentais, pesquisadores descobriram que é possível determinar indiretamente essa taxa com um feixe do isótopo césio-140. Esse isótopo sofre decaimento radioativo em bário-140 e, ao fazê-lo, emite um raio gama, que os pesquisadores conseguiram detectar e medir usando o detector Summing Nal (SuN) do FRIB, um espectrômetro de raios gama de absorção total. Ao capturar dados com mais precisão para esse processo, os pesquisadores puderam calcular indiretamente a taxa de reação do bário-139 à medida que ele se transforma em bário-140, e a probabilidade de que essa reação produza lantânio.

“A técnica que está sendo usada requer feixes radioativos de intensidade razoavelmente alta e pureza muito alta”, disse o diretor do ATLAS, Guy Savard, um Argonne Distinguished Fellow. “O CARIBU fornece essas condições para uma ampla gama de isótopos ricos em nêutrons.”

Equipados com esse novo conhecimento, os pesquisadores podem aplicar o que descobriram neste estudo a outros casos de uso no CARIBU e sua atualização futura próxima, nuCARIBU. Lá, eles podem aprofundar sua compreensão de como a captura de nêutrons funciona para isótopos ricos em nêutrons no processo i. Eventualmente, eles esperam encontrar uma maneira mais direta de estudar o processo.

“No outono, teremos uma grande campanha experimental habilitada pelo nuCARIBU, fazendo uma série de medições novamente, para que possamos expandir o alcance sobre o qual essa técnica é aplicada, e olhar para muitos casos e tentar entender a sistemática de como essa captura de nêutrons nos isótopos ricos em nêutrons funciona”, disse Savard. “Este é apenas o primeiro passo”, ele acrescentou.

Além de Spyrou, Mücher e Savard, os autores incluem PA Denissenkov, F. Herwig, EC Good, G. Balk, HC Berg, DL Bleuel, JA Clark, C. Dembski, PA DeYoung, B. Greaves, M. Guttormsen, C. Harris, AC Larsen, SN Liddick, S. Lyons, M. Markova, MJ Mogannam, S. Nikas, J. Owens-Fryar, A. Palmisano-Kyle, G. Perdikakis, F. Pogliano, M. Quintieri, AL Richard, D. Santiago-Gonzalez, MK Smith, A. Sweet, A. Tsantiri e M. Wiedeking.