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sexta-feira, 26 de outubro de 2018

Que Transformações ocorrem dentro do Sol? Cientistas desvendam enigma

Caros Leitores,


Uma equipe internacional de cientistas conseguiu calcular, pela primeira vez, o número de diferentes tipos de neutrinos que surgem das entranhas do Sol durante as reações de fusão que ocorrem na superfície da estrela.
Neutrinos solares revelam como o Sol brilha
Um experimento mediu o espectro de energia de neutrinos solares associados a 99% das reações nucleares que alimentam o sol. Os resultados fornecem um vislumbre das profundezas do núcleo solar.
Figura 1 | O experimento Borexino, Gran Sasso, Itália. Um pesquisador está em um vaso esférico que faz parte do detector de neutrinos Borexino. A Colaboração Borexino 1 usou o detector para produzir a primeira medição simultânea dos fluxos de neutrinos associados às reações nucleares que respondem por 99% da energia do Sol. Crédito: Volker Steger / SPL
A energia é gerada no interior do Sol através de seqüências de reações nucleares nas quais quatro prótons se fundem para formar um núcleo de hélio-4. Essas seqüências são acompanhadas pela liberação de duas partículas conhecidas como neutrinos de elétrons. Modelos sugerem que 99% da energia nuclear liberada pelo Sol se origina de três seqüências de reação - conhecidas coletivamente como a cadeia próton-próton ( pp ) - que são iniciadas pela fusão de dois prótons. Em um artigo na Nature , a Borexino Collaboration reporta a primeira medição completa dos fluxos de neutrinos que se originam dessas três seqüências, com base em uma análise de mais de 2.000 dias de coleta de dados. Os resultados nos ajudam a entender os detalhes de como e por que o sol brilha.
Neutrinos interagem fracamente com a matéria e, portanto, escapam quase desimpedidos do interior do Sol, para chegar à Terra cerca de oito minutos depois. Os neutrinos solares, portanto, fornecem uma visão direta do forno nuclear no núcleo do Sol. O experimento Borexino (Fig. 1) detecta esses neutrinos e determina quanta energia eles têm medindo a quantidade de luz produzida quando as partículas interagem com o agente de detecção (um líquido orgânico chamado de cintilador, que é mantido no subsolo para minimizar a quantidade de radiação de fundo que pode interferir com os sinais de neutrinos). Em contraste com todos os outros experimentos com neutrinos solares, Borexino pode medir as energias de neutrinos de alta e baixa energia, o que torna possível estudar a estrutura do núcleo solar usando uma técnica conhecida como espectroscopia de neutrinos.
Os neutrinos de elétrons podem se transformar em dois outros tipos (ou sabores) de neutrinos, conhecidos como neutrinos de tau e múon, quando viajam para a Terra, um fenômeno conhecido como oscilação de sabor. O experimento de Borexino é mais sensível a neutrinos de elétrons do que a neutrinos de tau ou múon, e assim a oscilação do sabor precisa ser contabilizada quando os fluxos de neutrinos medidos são usados ​​para calcular os fluxos produzidos no sol. Levando isso em consideração, os colaboradores da Borexino usaram o fluxo de neutrinos medido para calcular a energia total gerada por reações nucleares no núcleo do Sol, com uma incerteza de cerca de 10%, e descobriram que isso é o mesmo que a saída de fótons medida, mostrando que a fusão nuclear é de fato a fonte de energia no sol. Este valor, calculado para a quantidade de energia produzida através de reações nucleares, resultados obtidos pela combinação de dados de vários experimentos de detecção de neutrinos e coloca as restrições mais robustas e independentes do modelo na fonte de energia solar.
Os resultados também têm ramificações interessantes para a física de neutrinos. Combinando seus dados com previsões de modelos solares padrão, os colaboradores determinam uma quantidade conhecida como probabilidade de sobrevivência de neutrinos de elétrons (que descreve a probabilidade de que um elétron-neutrino criado no Sol também seja detectado como um neutrino de elétrons no detector) para neutrinos produzidos em quatro reações da cadeia pp . As probabilidades calculadas de sobrevivência incluem o melhor valor disponível para os neutrinos de baixa energia, que correspondem a um regime de energia no qual a oscilação do sabor deve ocorrer principalmente em condições de vácuo. Combinado com as probabilidades de sobrevivência determinadas para neutrinos de alta energia, as descobertas dão um forte apoio ao nosso entendimento atual de oscilações de neutrinos - isto é, a ideia de que neutrinos de baixa energia mudam de sabor à medida que se propagam através de um vácuo, e que as oscilações de neutrinos de alta energia são aumentadas por suas interações com elétrons.
Medição abrangente de neutrinos solares de cadeia pp

Cerca de 99% da energia solar é produzida por meio de sequências de reações nucleares que convertem hidrogênio em hélio, a partir da fusão de dois prótons (a cadeia pp ). Os neutrinos emitidos por cinco dessas reações representam uma sonda única do funcionamento interno do Sol e, ao mesmo tempo, oferecem um intenso feixe de neutrinos naturais para a física fundamental. Aqui nós relatamos um estudo completo da cadeia de pp . Medimos as taxas de dispersão elástica neutrino elétrons para neutrinos produzidos por quatro reações da cadeia: a fusão do protão-protão inicial, o decaimento por captura de elétrons de berílio-7, o corpo de três protão-elétron-protão ( pep) fusão, aqui medida com a mais alta precisão alcançada até agora, e o decaimento beta-8 de boro, medido com o menor limite de energia. Também estabelecemos um limite no fluxo de neutrinos produzido pela fusão 3 He – próton (hep). Essas medições fornecem uma determinação direta da intensidade relativa das duas terminações primárias da cadeia de pp ( pp- I e pp- II) e uma indicação de que o perfil de temperatura no Sol é mais compatível com modelos solares que assumem alta metalicidade de superfície. Também determinamos a probabilidade de sobrevivência de neutrinos de elétrons solares a diferentes energias, sondando simultaneamente e com alta precisão o paradigma de conversão de sabores de neutrinos, tanto no vácuo quanto em regimes dominados pela matéria.

Os conjuntos de dados gerados durante o estudo atual estão disponíveis gratuitamente no repositório https://bxopen.lngs.infn.it/ . Informações adicionais estão disponíveis no porta-voz da Borexino Collaboration (spokesperson-borex@lngs.infn.it) mediante solicitação razoável.

Os novos resultados também lançam luz sobre um paradoxo de longa data na física solar, que surge porque a composição química do Sol não está bem estabelecida. As mais recentes determinações espectroscópicas completas da metalicidade do Sol (a abundância de todos os elementos solares mais pesados ​​que o hélio) produziram um valor 35% menor do que os resultados espectroscópicos mais antigos. Curiosamente, quando modelos numéricos do interior solar são construídos usando o menor valor de metalicidade como restrição, as propriedades simuladas estão em desacordo com o nosso conhecimento da estrutura interior do Sol (que é bem caracterizada por estudos helioseismológicos) .que analisam as oscilações produzidas pelas ondas que se propagam através do interior do Sol). Mas quando os valores mais antigos (mais altos) de metalicidade são usados, as simulações reproduzem muito bem as propriedades solares. Isso é conhecido como o problema da abundância solar, e questiona a validade dos modelos atuais de evolução estelar, ou de métodos espectroscópicos para determinar a composição do Sol, ou ambos.
No entanto, as contribuições relativas das três diferentes sequências de reação na cadeia pp , determinadas a partir do experimento de Borexino, podem ser usadas para inferir a temperatura no núcleo solar - uma região que é mal mapeada por estudos heliossismológicos. Os resultados do Borexino sugerem uma temperatura central consistente com as previsões de modelos que assumem alta metalicidade solar. Dito isso, os resultados ainda não são precisos o suficiente para fornecer uma resposta definitiva ao problema da abundância solar, porque os fluxos de neutrinos previstos pelos modelos solares de alta e baixa metalicidade são compatíveis com os novos resultados.

No entanto, o experimento Borexino pode fornecer uma resposta definitiva no futuro. Cerca de 1% da energia nuclear da Sun é produzida através de cadeias de reações nucleares conhecidas como ciclos CNO. Estes ciclos são catalisados ​​pela presença de carbono, nitrogênio e oxigênio, e assim sua eficiência depende linearmente da metalicidade solar. Se os fluxos de neutrinos associados aos ciclos de CNO pudessem ser medidos, então a abundância desses elementos no núcleo solar poderia ser determinada.
Tais medidas provaram ser difíceis em Borexino até agora, por causa da radiação de fundo produzida pelo decaimento radioativo do bismuto-210 (que se forma a partir do decaimento do urânio-238, um isótopo presente em pequenas quantidades em toda a matéria no Sistema Solar). Modificações na embarcação que contém o cintilador líquido foram feitas agora que devem resolver esse problema. A detecção de neutrinos da CNO não apenas permitiria determinar a metalicidade do Sol, mas também forneceria evidências diretas de que os ciclos de CNO ocorrem na natureza. Isso é importante, porque se acredita que os ciclos de CNO sejam o principal mecanismo pelo qual estrelas mais massivas que o Sol geram energias.
Outra questão importante na astrofísica é a proposta de existência de mecanismos não padronizados para a produção ou perda de energia em estrelas. Se tal mecanismo existir, haverá um desequilíbrio entre a taxa de produção solar de energia nuclear e a luminosidade (a quantidade total de energia irradiada como fótons da superfície do Sol). A precisão com que a energia gerada pelas reações nucleares no Sol pode ser medida precisaria ser aumentada em dez a 1% para permitir testes de física de partículas não padronizadas. Tal precisão pode estar fora do alcance do Borexino, mas pode ser possível em futuros detectores de neutrinos e matéria escura em larga escala.
1.    1
A Colaboração Borexino. Nature 562 , 505-510 (2018).
o    
§  Artigo
2.    2
Bergstrom, J. et al. J. High Energ. Phys. 3 , 132 (2016).
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§  Artigo
3.    3
Mikheyev, SP e Smirnov, AY Yadernaya Fiz . 42 , 1441-1448 (1985).
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4.    4
Wolfenstein, L. Phys. Rev. D 17 , 2369 (1978).
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§  Artigo
5.    5
Asplund, M., Grevesse, N., Sauval, AJ & Scott, P. Annu. Rev. Astron. Astrofísica 47 , 481-522 (2009).
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§  Artigo
6.    6
Grevesse, N. & Sauval, AJ Space Sci. Rev. 85 , 161-174 (1998).
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§  Artigo
7.    7
Basu, S. & Antia, HM Phys. Rep. 457 , 217-283 (2008).
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§  Artigo
8.    8
Haxton, WC, Hamish Robertson, RG e Serenelli, AM Annu. Rev. Astron. Astrofísica 51 , 21-61 (2013).
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§  Artigo
9.    9
Smirnov, O. Dados disponíveis em https://doi.org/10.5281/zenodo.1286860 (2018).
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10. 10
Raffelt, GG Annu. Rev. Nucl. Particle Sci. 49 , 163-216 (1999).
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§  Artigo
Fonte: Publicação Revista Nature - https://www.nature.com/

HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Pesquisador Independente na Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).

Membro da Society for Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.








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