Físicos nucleares questionam origem do berílio radioativo no sistema solar

Cientistas determinaram que um elemento raro encontrado em alguns dos sólidos mais antigos do sistema solar, como meteoritos, e que antes se acreditava ter sido formado em explosões de supernovas, na verdade é anterior a tais eventos cósmicos, desafiando teorias antigas sobre sua origem.

Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia lideraram estudos do isótopo radioativo berílio-10, que existia quando o sistema solar surgiu, cerca de 4,5 a 5 bilhões de anos atrás. Eles investigaram se esse isótopo pode ser formado em quantidades suficientes durante as explosões massivas de estrelas gigantescas em seus estertores de morte, chamadas supernovas.

“É improvável que tal explosão estelar seja a principal fonte desse isótopo, como é observado no início do sistema solar”, disse Raphael Hix, astrofísico nuclear do ORNL que participou do estudo publicado na revista Revisão Física C. As descobertas “nos ajudam a entender a história do sistema solar e da galáxia como um todo”.

Os cientistas especulam que o berílio-10 é provavelmente o resultado do que é conhecido como espalação de raios cósmicos — uma interação com prótons aleatórios e onipresentes de alta energia e outros isótopos, como o carbono-12, que correm em todas as direções pelo universo quase na velocidade da luz.

Quando uma estrela morre, ela ejeta átomos de seu núcleo para o meio interestelar, que é matéria de baixa densidade que preenche o espaço entre as estrelas em uma galáxia. O processo de fazer isótopos e elementos em estrelas é chamado de nucleossíntese. Eventualmente, porções do meio interestelar se reunirão para formar a próxima geração de estrelas e seus planetas associados. Incluído nessa sopa atômica está o carbono-12, que ocasionalmente colide com raios cósmicos.

Quando esses raios de alta energia colidem com átomos de carbono-12, “eles literalmente quebram o núcleo, e o que resta pode incluir berílio-10”, disse Hix.

Cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, o sistema solar se formou a partir do colapso de uma nuvem gigantesca de moléculas gasosas, que criou um disco giratório de material conhecido como nebulosa solar. Ao longo de milhões de anos, a gravidade fez com que o material se aglutinasse, levando à formação do sol e de todos os seus planetas.

O berílio-10 tem uma meia-vida relativamente curta — o tempo que leva para metade do número de núcleos radioativos decaírem — de 1,4 milhões de anos. Isso significa que qualquer berílio-10 encontrado na Terra hoje foi criado muito depois da formação do sistema solar.

No entanto, em alguns meteoritos, cientistas encontram boro-10, um produto de decaimento do berílio-10. A presença de boro-10 com isótopos de berílio não radioativos implica que o berílio-10 recém-feito já estava presente no sistema solar quando se formou.

Hix e o então pesquisador de pós-doutorado Andre Sieverding, agora cientista da equipe do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, usaram recursos computacionais do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética do DOE, ou NERSC, para calcular as quantidades de diferentes elementos e isótopos produzidos por explosões de supernovas.

Explosões de supernovas podem ocorrer em estrelas que são de 10 a 25 vezes mais massivas que o sol. Eles receberam ajuda do estudante de graduação da Universidade do Tennessee, Daniel Zetterberg, que trabalha no ORNL, e colegas da Universidade de Notre Dame.

Se isótopos de vida curta, como o berílio-10, podem surgir de explosões de supernovas, então, de acordo com o pensamento científico predominante, isso apoiaria a ideia de que a formação do sistema solar foi diretamente desencadeada por uma supernova.

No entanto, cálculos recentes desafiam essa ideia, pelo menos para o berílio-10. Novos dados de experimentos nucleares, onde núcleos são colididos para criar novos núcleos, revelaram propriedades nucleares que aumentam a taxa de reação que transforma o berílio-10 em outros isótopos. Essa taxa substitui uma estimativa para a taxa de reação que tem mais de 50 anos.

Medir isso em laboratório com experimentos aprimorados dá uma imagem mais precisa e detalhada. As novas taxas de reação calculadas pelos cientistas são até 33 vezes mais rápidas do que aquelas obtidas em experimentos anteriores.

Sieverding, Zetterberg e Hix determinaram que a nova taxa era rápida o suficiente para destruir efetivamente o berílio-10 em supernovas. Como resultado, um colapso e explosão de supernova “é improvável que produza berílio-10 suficiente para explicar o berílio-10 observado em meteoritos”, disse Hix.

“Isso torna quase certo que a espalação realmente é a fonte do berílio-10”, Hix acrescentou. “A menos que haja grandes mudanças nos modelos para a estrutura de estrelas nessa faixa de massa, essas descobertas apontam para a necessidade de outra fonte de berílio-10.”

Sieverding disse: “Como resultado, é improvável que uma supernova tenha sido a fonte do berílio-10 no início do sistema solar.”

O estudo foi uma colaboração envolvendo várias instituições. Sieverding, Hix e Zetterberg, do ORNL, fizeram as simulações astrofísicas e os cálculos de nucleossíntese. Na Universidade de Notre Dame, Jaspreet Randhawa, Tan Ahn e Richard James deBoer interpretaram os dados experimentais para extrair a taxa de reação relevante.

Na Universidade Técnica de Darmstadt, na Alemanha, Riccardo Mancino e Gabriel Martinez-Pinedo fizeram cálculos teóricos de taxas de reação. Como a taxa era muito lenta para ser medida diretamente, seus experimentos mediram propriedades dos núcleos, e os teóricos transformaram essas propriedades em uma taxa de reação.