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Em 2017, um grupo de pesquisadores detectou uma colisão entre duas estrelas de nêutrons graças às ondas gravitacionais. A colisão serviu de evidência para uma teoria de longa data sobre a formação de elementos mais pesados do que o ferro no Universo. De acordo com os cientistas, a energia liberada nesse tipo de colisão gera elementos pesados como o ouro, o urânio e a prata.

No entanto, uma nova análise revelou um problema. Segundo um estudo publicado no periódico The Astrophysical Journal, essas colisões não produzem as abundâncias de elementos pesados encontrados atualmente.

“As fusões de estrelas de nêutrons não produziram elementos pesados suficientes no início da vida do Universo, e ainda não produzem agora, 14 bilhões de anos depois”, disse a astrofísica Amanda Karakas, da Universidade Monash e do Centro de Excelência para Toda a Astrofísica do Céu em 3 Dimensões (ASTRO 3D) na Austrália.

“O Universo não os fez rápidos o suficiente para explicar sua presença em estrelas muito antigas, e, no geral, simplesmente não há colisões suficientes acontecendo para explicar a abundância desses elementos hoje.”

Criando elementos

As estrelas são as fabricantes da maioria dos elementos do Universo. Logo depois que o Universo primitivo esfriou ao ponto de se fundir à matéria, o hidrogênio e o hélio surgiram. Esses dois elementos são os mais abundantes em todo o Universo!

As primeiras estrelas do Universo sugiram quando a gravidade juntou aglomerados dessas partículas. No núcleo quente desses astros, os elementos mais leves se fundem em partículas mais pesadas. O hidrogênio transforma-se em hélio. Em seguida, o hélio transfigura-se para carbono, e assim por diante. No entanto, após alguns milhares de anos, os elementos mais leves acabam. Por conta disso, os elementos mais pesados se fundem e criam outros elementos ainda mais pesados, até chegar no ferro.

“Podemos pensar nas estrelas como panelas de pressão gigantes onde novos elementos são criados”, disse Karakas.

O próprio ferro pode fundir, mas consume enormes quantidades de energia pra fazê-lo — mais do que a própria fusão produz! E, portanto, o núcleo de ferro é o fim.

Nesse sentido, para criar elementos mais pesados do que o ferro, necessita-se de um processo rápido de captura de nêutrons, ou processo r. Esse processo acontece em explosões extremamente energéticas onde uma série de reações nucleares nas quais os núcleos atômicos colidem com nêutrons para sintetizar elementos mais pesados que o ferro.

Mas isso precisa acontecer rapidamente, de modo que a decadência radioativa não tenha tempo para ocorrer antes que mais nêutrons sejam adicionados ao núcleo. A explosão de uma kilonova, gerada por uma colisão de estrelas de nêutrons, é um fenômeno energético o suficiente para o processo r acontecer. Isso não está em xeque. Mas, para produzir as quantidades desses elementos mais pesados que observamos, precisamos de uma frequência mínima de colisões estelares de nêutrons.

O estudo

Para descobrir as fontes desses elementos, os pesquisadores construíram modelos de evolução química galáctica para todos os elementos estáveis, do carbono ao urânio. Eles usaram as observações astrofísicas mais atualizadas e as abundâncias químicas disponíveis na Via Láctea.

Os pesquisadores expuseram seu trabalho em uma tabela periódica que mostra as origens dos elementos que modelaram. Entre as descobertas, verificou-se que a frequência de colisões entre estrelas de nêutrons, desde o Universo primitivo até agora, não geraria esse abundância de elementos pesados. Em vez disso, a equipe propôs que um tipo de supernova pode ser a responsável.

Um novo tipo de supernova?

Chamadas de “supernovas magnetorotacionais“, este fenômeno teoricamente ocorre quando quando o núcleo de uma estrela massiva, com um forte campo magnético e que gira rapidamente entra em colapso. Essa supernova é energética o suficiente para que o processo r ocorra. Se uma pequena porcentagem de supernovas de estrelas entre 25 e 50 massas solares são magnetorotationais, isso pode compensar a diferença.

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“Mesmo as estimativas mais otimistas da frequência de colisão de estrelas de nêutrons simplesmente não podem explicar a grande abundância desses elementos no Universo”, disse Karakas. “Isso foi uma surpresa. Parece que supernovas giratórias com fortes campos magnéticos são a verdadeira fonte da maioria desses elementos.

Uma relação entre massas solares e elementos pesados

Pesquisas anteriores descobriram que um tipo de supernova, chamada de “supernova collapsar“, também pode produzir elementos pesados, no entanto. Esse fenômeno ocorre quando uma estrela com alta rotação e com mais de 30 massas solares transforma-se em uma supernova antes de “cair” em um buraco negro.

De acordo com os pesquisadores, cogita-se que as supernovas collapsar sejam mais raras que colisões de estrelas de nêutrons, mas elas também contribuem com a quantidade atual de elementos pesados. E, além do mais, ainda combina perfeitamente com as outras descobertas da equipe.

Além disso, a equipe ainda descobriu que as estrelas com menos de oito massas solares produzem carbono, nitrogênio e cerca de metade de todos os elementos mais pesados que o ferro. Estrelas com mais de do que oito massas solares produzem a maior parte do oxigênio e cálcio necessários para a vida, bem como a maioria dos elementos entre carbono e ferro.

“Além do hidrogênio, não há um único elemento que possa ser formado apenas por um tipo de estrela”, explica o astrofísico Chiaki Kobayashi, da Universidade de Hertfordshire, no Reino Unido.

“Metade do carbono é produzido a partir de estrelas de baixa massa morrendo, mas a outra metade vem de supernovas. E metade do ferro vem de supernovas normais de estrelas massivas, mas a outra metade precisa de outra forma, conhecida como supernova tipo Ia. Estes são produzidos em sistemas binários de estrelas de baixa massa”, diz.

Os pesquisadores publicaram as descobertas da pesquisa no periódico The Astrophysical Journal. Com informações do ScienceAlert.