Evidências observacionais de uma fusão de estrelas de nêutrons revelaram a produção de elementos pesados raros, incluindo telúrio, avançando nossa compreensão das origens elementares do universo. Crédito: SciTechDaily.com
A descoberta inovadora coloca os astrônomos um passo mais perto de resolver o mistério da origem dos elementos que são mais pesados que o ferro.
Uma equipa internacional de astrónomos – incluindo o astrofísico Dieter Hartmann da Universidade Clemson – obteve evidências observacionais da criação de elementos pesados raros na sequência de uma explosão cataclísmica desencadeada pela fusão de duas estrelas de neutrões.
A enorme explosão desencadeou uma explosão de raios gama, GRB230307A, a segunda mais brilhante em 50 anos de observações e cerca de 1.000 vezes mais brilhante do que uma explosão típica de raios gama. GRB230307A foi detectado pela primeira vez por NASATelescópio Espacial Fermi de Raios Gama em 7 de março de 2023.
Desvendando os mistérios do cosmos
Usando vários telescópios espaciais e terrestres, incluindo o Telescópio Espacial James Webb da NASA, o maior e mais poderoso telescópio já lançado no espaço, os cientistas conseguiram identificar a fonte da explosão de raios gama no céu e rastrear como seu brilho mudou. .
Com a informação recolhida, os investigadores determinaram que a explosão foi o resultado de duas estrelas de neutrões que se fundiram numa galáxia a mil milhões de anos-luz da Terra para formar uma quilonova. Os pesquisadores observaram evidências de telúrio, um dos elementos mais raros da Terra.
A descoberta revolucionária coloca os astrónomos um passo mais perto de resolver o mistério da origem dos elementos que são mais pesados que o ferro.
“Sou um astrofísico de altas energias. Eu gosto de explosões. Gosto dos raios gama que vêm deles. Mas também sou um astrônomo que realmente se preocupa com questões fundamentais, como a forma como os elementos pesados se formaram”, disse Hartmann.
Dieter Hartmann, professor do Departamento de Física e Astronomia da Clemson University. Crédito: Universidade Clemson
Explosões de raios gama: janelas para processos estelares
Explosões de raios gama (GRBs) são explosões de luz de raios gama – a forma de luz mais energética – que duram de segundos a minutos. Os primeiros GRBs foram detectados na década de 1960 por satélites construídos para monitorar testes nucleares.
GRBs têm causas diferentes.
As GRBs de longa duração são causadas por supernovas, o ponto em que uma estrela massiva chega ao fim da sua vida e explode numa explosão de luz. GRBs de curta duração são causados pela fusão de duas estrelas de nêutrons, conhecidas como quilonova, ou pela fusão de uma Estrêla de Neutróns e um buraco negro.
Embora GRB230307A tenha durado 200 segundos, os cientistas viram a cor do brilho mudar de azul para vermelho, uma assinatura da quilonova.
“A explosão em si indicou um evento de longa duração e deveria ter sido uma situação normal do tipo supernova. Mas tinha características incomuns. Não se encaixava perfeitamente nos padrões de rajadas longas”, disse Hartmann. “Acontece que esta nuvem radioativa, aquele brilho residual de quilonova, que continha todas essas impressões digitais sintéticas nucleares, é a assinatura de uma fusão binária. A emoção vem de usar o Webb para identificar uma impressão digital química que esperávamos para rajadas curtas e vê-la dentro de uma rajada longa.”
O papel das fusões de estrelas de nêutrons na formação de elementos
Hartmann disse que o Big Bang produziu hidrogênio e hélio. Todos os outros elementos foram formados por estrelas e processos no meio interestelar.
“Alguns deles são massivos o suficiente para explodir e devolvem esse material aos seus ambientes gasosos que mais tarde formam novas estrelas. Então, há um ciclo no universo que nos torna mais enriquecidos em carbono, nitrogênio, oxigênio, todas as coisas que precisamos”, disse ele. “Chamamos as estrelas de caldeirões do universo.”
As reações termonucleares, ou fusão, fazem as estrelas brilharem. Isso leva sucessivamente à produção de elementos mais pesados, disse Hartmann. Mas quando se trata de ferro, não resta muita energia para extrair, disse ele.
Então, de onde vêm todos os elementos pesados, como ouro e urânio?
“Os elementos pesados têm origens especiais. Existem dois processos que dominam. Um é chamado de rápido; o outro é chamado lento. Acreditamos que o processo-r acontece nessas fusões de estrelas de nêutrons”, disse Hartmann.
Confirmando teorias com evidências observacionais
A modelagem teórica sugeria que as quilonovas deveriam produzir telúrio, mas a detecção de uma linha espectral pelo Telescópio Espacial James Webb forneceu evidências experimentais. Uma linha espectral é uma linha escura ou brilhante dentro de um espectro contínuo. É produzido por transições dentro de átomos ou íons.
“Achamos que é uma identificação bastante segura, mas não está além de qualquer dúvida razoável, como diriam no tribunal”, disse Hartmann.
Descobertas detalhadas da pesquisa podem ser encontradas no artigo intitulado “Produção de elementos pesados em uma fusão de objetos compactos observada pelo JWST”, publicado na revista científica Natureza.
Para mais informações sobre esta pesquisa, consulte:
Referência: “Produção de elementos pesados em uma fusão de objetos compactos observada pelo JWST” por Andrew J. Levan, Benjamin P. Gompertz, Om Sharan Salafia, Mattia Bulla, Eric Burns, Kenta Hotokezaka, Luca Izzo, Gavin P. Lamb, Daniele B Malesani, Samantha R. Oates, Maria Edvige Ravasio, Alicia Rouco Escorial, Benjamin Schneider, Nikhil Sarin, Steve Schulze, Nial R. Tanvir, Kendall Ackley, Gemma Anderson, Gabriel B. Brammer, Lise Christensen, Vikram S. Dhillon, Phil A. Evans, Michael Fausnaugh, Wen-fai Fong, Andrew S. Fruchter, Chris Fryer, Johan PU Fynbo, Nicola Gaspari, Kasper E. Heintz, Jens Hjorth, Jamie A. Kennea, Mark R. Kennedy, Tanmoy Laskar, Giorgos Leloudas , Ilya Mandel, Antonio Martin-Carrillo, Brian D. Metzger, Matt Nicholl, Anya Nugent, Jesse T. Palmerio, Giovanna Pugliese, Jillian Rastinejad, Lauren Rhodes, Andrea Rossi, Andrea Saccardi, Stephen J. Smartt, Heloise F. Stevance, Aaron Tohuvavohu, Alexander van der Horst, Susanna D. Vergani, Darach Watson, Thomas Barclay, Kornpob Bhirombhakdi, Elmé Breedt, Alice A. Breeveld, Alexander J. Brown, Sergio Campana, Ashley A. Chrimes, Paolo D’Avanzo, Valerio D ‘Elia, Massimiliano De Pasquale, Martin J. Dyer, Duncan K. Galloway, James A. Garbutt, Matthew J. Green, Dieter H. Hartmann, Páll Jakobsson, Paul Kerry, Chryssa Kouveliotou, Danial Langeroodi, Emeric Le Floc’h, James K. Leung, Stuart P. Littlefair, James Munday, Paul O’Brien, Steven G. Parsons, Ingrid Pelisoli, David I. Sahman, Ruben Salvaterra, Boris Sbarufatti, Danny Steeghs, Gianpiero Tagliaferri, Christina C. Thöne, Antonio de Ugarte Postigo e David Alexander Kann, 25 de outubro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06759-1
Além de Hartmann, participaram pesquisadores de diversas universidades dos Estados Unidos, bem como cientistas da Holanda, Reino Unido, Itália, Japão, Dinamarca, Espanha, Suécia, Austrália, Irlanda, França, Nova Zelândia, Canadá, Israel, Islândia, A República Checa e a Alemanha estiveram envolvidas.
