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Físicos projetam um experimento para determinar a origem dos elementos
Caros Leitores;
Um novo experimento projetado por físicos do MIT pode ajudar a determinar a velocidade com que estrelas enormes e massivas produzem oxigênio no universo. Crédito: NASA / ESA / HubbleCrédito: NASA / ESA / Hubble
Quase todo o oxigênio em nosso universo é forjado na barriga de estrelas massivas como o nosso Sol. Quando essas estrelas se contraem e queimam, desencadeiam reações termonucleares em seus núcleos, onde núcleos de carbono e hélio podem colidir e se fundir em uma reação nuclear rara, embora essencial, que gera grande parte do oxigênio no Universo.
A taxa dessa reação geradora de oxigênio tem sido incrivelmente difícil de definir. Mas se os pesquisadores puderem obter uma estimativa suficientemente boa do que é conhecido como a "taxa de reação de captura radiativa", eles podem começar a descobrir as respostas para questões fundamentais, como a proporção de carbono para oxigênio no universo. Uma taxa precisa também pode ajudá-los a determinar se uma estrela explosiva se estabelecerá na forma de um buraco negro ou de uma estrela de nêutrons.
Agora os físicos do Laboratório de Ciência Nuclear (LNS) do MIT criaram um planejamento experimental que poderia ajudar a determinar a taxa dessa reação geradora de oxigênio. A abordagem requer um tipo de acelerador de partículas que ainda está em construção, em vários locais ao redor do mundo. Uma vez instalados e funcionando, esses aceleradores lineares "multimegawatt" podem fornecer as condições corretas para executar a reação geradora de oxigênio de maneira inversa, como se estivessem voltando o relógio da formação de estrelas.
Os pesquisadores dizem que tal "reação inversa" deve fornecer uma estimativa da taxa de reação que realmente ocorre em estrelas, com maior precisão do que anteriormente.
"A descrição do trabalho de um físico é entender o mundo e, no momento, não entendemos exatamente de onde vem o oxigênio do universo e como o oxigênio e o carbono são produzidos", diz Richard Milner, professor de física da Universidade de Washington. MIT. "Se estivermos certos, essa medida nos ajudará a responder algumas dessas importantes questões na física nuclear com relação à origem dos elementos."
Milner é co-autor de um artigo publicado hoje na revista Physical Review C, juntamente com o autor principal e pós-doc do MIT-LNS, Ivica Friščić, e do Centro de Pesquisas Científicas Sênior em Física Teórica T. William Donnelly.
Uma queda precipitada
A taxa de reação de captura radiativa refere-se à reação entre um núcleo de carbono-12 e um núcleo de hélio, também conhecido como uma partícula alfa, que ocorre dentro de uma estrela. Quando esses dois núcleos colidem, o núcleo de carbono efetivamente "captura" a partícula alfa e, no processo, excita-se e irradia energia na forma de um fóton. O que é deixado para trás é um núcleo de oxigênio 16, que finalmente se decompõe em uma forma estável de oxigênio que existe em nossa atmosfera.
Mas as chances de essa reação ocorrer naturalmente em uma estrela são incrivelmente pequenas, devido ao fato de que tanto uma partícula alfa quanto um núcleo de carbono 12 são altamente carregados positivamente. Se eles vêm em contato próximo, eles estão naturalmente inclinados a repelir, no que é conhecido como força de Coulomb. Para se fundir para formar oxigênio, o par teria que colidir com energias suficientemente altas para superar a força de Coulomb - uma ocorrência rara. Uma taxa de reação extremamente baixa seria impossível de ser detectada nos níveis de energia que existem dentro das estrelas.
Nas últimas cinco décadas, os cientistas tentaram simular a taxa de reação de captura radiativa, em aceleradores de partículas pequenos, mas poderosos. Eles fazem isso colidindo feixes de hélio e carbono na esperança de fundir núcleos de ambos os feixes para produzir oxigênio. Eles conseguiram medir essas reações e calcular as taxas de reação associadas. No entanto, as energias em que tais aceleradores colidem são muito mais altas do que as que ocorrem em uma estrela, tanto que as estimativas atuais da taxa de reação geradora de oxigênio são difíceis de extrapolar para o que realmente ocorre dentro das estrelas.
"Essa reação é bem conhecida em energias mais altas, mas cai vertiginosamente à medida que você desce em energia, em direção à interessante região astrofísica", diz Friščić.
Tempo, no reverso
No novo estudo, a equipe decidiu ressuscitar uma noção anterior, para produzir o inverso da reação de geração de oxigênio. O objetivo, essencialmente, é partir do oxigênio gasoso e dividir seu núcleo em seus ingredientes iniciais: uma partícula alfa e um núcleo de carbono-12. A equipe argumentou que a probabilidade de a reação acontecer no sentido inverso deveria ser maior e, portanto, mais facilmente medida do que a mesma reação. A reação inversa também deve ser possível em energias mais próximas da faixa de energia das estrelas reais.
A fim de dividir o oxigênio, eles precisariam de um feixe de alta intensidade, com uma concentração super alta de elétrons. (Quanto mais elétrons bombardearem uma nuvem de átomos de oxigênio, maior a chance de que um elétron entre bilhões tenha a energia e o momento certos para colidir e dividir um núcleo de oxigênio.)
A idéia surgiu com a pesquisadora do MIT, Genya Tsentalovich, que conduziu um experimento no anel de armazenamento de elétrons MIT-Bates South Hall em 2000. Embora o experimento nunca tenha sido realizado no acelerador Bates, que parou de funcionar em 2005, Donnelly e Milner senti que a ideia merecia ser estudada em detalhe. Com o início da construção de aceleradores lineares de última geração na Alemanha e na Cornell University, tendo a capacidade de produzir feixes de elétrons de intensidade suficientemente alta, ou corrente, para potencialmente desencadear a reação inversa, e a chegada de Friščić no MIT em 2016, o estudo começou.
"A possibilidade dessas novas máquinas elétricas de alta intensidade, com dezenas de miliamperes de corrente, despertou nosso interesse por essa idéia [de reação inversa]", diz Milner.
A equipe propôs um experimento para produzir a reação inversa disparando um feixe de elétrons em uma nuvem fria e ultradensa de oxigênio. Se um elétron colidir e dividir com sucesso um átomo de oxigênio, ele deve se dispersar com uma certa quantidade de energia, que os físicos previram anteriormente. Os pesquisadores isolariam as colisões envolvendo elétrons dentro dessa determinada faixa de energia e, a partir delas, isolariam as partículas alfa produzidas no rescaldo.
As partículas alfa são produzidas quando os átomos O-16 se separam. A divisão de outros isótopos de oxigênio também pode resultar em partículas alfa, mas estas se dispersariam um pouco mais rápido - cerca de 10 nanossegundos mais rápido - do que partículas alfa produzidas a partir da divisão de átomos O-16. Então, a equipe argumentou que eles isolariam aquelas partículas alfa que eram um pouco mais lentas, com um "tempo de voo" um pouco mais curto.
Os pesquisadores puderam então calcular a taxa da reação inversa, dada a frequência com que partículas alfa mais lentas - e por procuração, a divisão de átomos de O-16 - ocorreram. Eles então desenvolveram um modelo para relacionar a reação inversa à reação direta e direta da produção de oxigênio que ocorre naturalmente nas estrelas.
"Estamos essencialmente fazendo a reação inversa do tempo", diz Milner. "Se você mede isso com a precisão que estamos falando, você deve ser capaz de extrair diretamente a taxa de reação, por fatores de até 20 além do que qualquer um tem feito nesta região."
Atualmente, o MESA, um sintetizador linear multimegawatt, está em construção na Alemanha. Friščić e Milner estão colaborando com físicos para projetar o experimento, na esperança de que, uma vez em funcionamento, eles possam colocar seu experimento em ação para realmente fixar a taxa na qual as estrelas transferem oxigênio para o universo.
"Se tivermos razão e fizermos essa medição, ela nos permitirá responder quanto de carbono e oxigênio é formado nas estrelas, que é a maior incerteza que temos em nossa compreensão de como as estrelas evoluem", diz Milner
Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
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.
A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
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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