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As fusões entre duas estrelas de nêutrons produziram mais elementos pesados nos últimos 2,5 bilhões de anos do que as fusões entre estrelas de nêutrons e buracos negros.
A maioria dos elementos mais leves que o ferro são forjados nos núcleos das estrelas. O centro incandescente de uma estrela alimenta a fusão dos prótons, comprimindo-os para formar elementos progressivamente mais pesados. Mas, além do ferro, os cientistas ficaram intrigados com o que poderia dar origem ao ouro, à platina e ao resto dos elementos pesados do Universo, cuja formação requer mais energia do que uma estrela pode reunir.
Um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT e da Universidade de New Hampshire descobriu que, de duas fontes há muito suspeitas de metais pesados, uma é mais uma mina de ouro do que a outra.
O estudo, publicado hoje no Astrophysical Journal Letters , relata que nos últimos 2,5 bilhões de anos, mais metais pesados foram produzidos em fusões de estrelas de nêutrons binárias, ou colisões entre duas estrelas de nêutrons, do que em fusões entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro.
O estudo é o primeiro a comparar os dois tipos de fusão em termos de produção de metais pesados e sugere que as estrelas de nêutrons binárias são uma provável fonte cósmica de ouro, platina e outros metais pesados que vemos hoje. As descobertas também podem ajudar os cientistas a determinar a taxa em que os metais pesados são produzidos em todo o Universo.
“O que achamos empolgante em nosso resultado é que, com certo nível de confiança, podemos dizer que estrelas de nêutrons binárias são provavelmente mais uma mina de ouro do que fusões estrela de nêutrons-buraco negro”, diz o autor principal Hsin-Yu Chen, um pós-doutorado no Instituto Kavli do MIT para Astrofísica e Pesquisa Espacial.
Os co-autores de Chen são Salvatore Vitale, professor assistente de física no MIT, e François Foucart, da UNH.
Um flash eficiente
À medida que as estrelas passam pela fusão nuclear, elas precisam de energia para fundir os prótons e formar elementos mais pesados. As estrelas são eficientes na produção de elementos mais leves, do hidrogênio ao ferro. Fundir mais do que os 26 prótons no ferro, no entanto, torna-se energeticamente ineficiente.
“Se você quiser ir além do ferro e construir elementos mais pesados como ouro e platina, precisa de alguma outra maneira de juntar prótons”, diz Vitale.
Os cientistas suspeitaram que as supernovas podem ser uma resposta. Quando uma estrela massiva colapsa em uma supernova, o ferro em seu centro poderia se combinar com elementos mais leves na precipitação extrema para gerar elementos mais pesados.
Em 2017, porém, foi confirmado um candidato promissor, na forma de uma fusão de estrela de nêutrons binários, detectada pela primeira vez pelo LIGO e Virgo, os observatórios de ondas gravitacionais nos Estados Unidos e na Itália, respectivamente. Os detectores captaram ondas gravitacionais, ou ondulações através do espaço-tempo, que se originaram 130 milhões de anos-luz da Terra, a partir de uma colisão entre duas estrelas de nêutrons - núcleos colapsados de estrelas massivas, que estão cheios de nêutrons e estão entre os objetos mais densos do Universo.
A fusão cósmica emitiu um flash de luz, que continha assinaturas de metais pesados.
“A magnitude do ouro produzido na fusão foi equivalente a várias vezes a massa da Terra”, diz Chen. “Isso mudou totalmente o quadro. A matemática mostrou que as estrelas de nêutrons binárias são uma maneira mais eficiente de criar elementos pesados, em comparação com as supernovas”.
Uma mina de ouro binária
Chen e seus colegas se perguntaram: como as fusões de estrelas de nêutrons podem ser comparadas às colisões entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro? Este é outro tipo de fusão que foi detectado por LIGO e Virgo e poderia ser uma fábrica de metais pesados. Sob certas condições, suspeitam os cientistas, um buraco negro poderia desorganizar uma estrela de nêutrons de modo que ela faiscasse e expelisse metais pesados antes que o buraco negro engolisse completamente a estrela.
A equipe decidiu determinar a quantidade de ouro e outros metais pesados que cada tipo de fusão poderia produzir normalmente. Para sua análise, eles se concentraram nas detecções de LIGO e Virgo até agora de duas fusões de estrelas de nêutrons binárias e duas de estrelas de nêutrons - fusões de buracos negros.
Os pesquisadores primeiro estimaram a massa de cada objeto em cada fusão, bem como a velocidade de rotação de cada buraco negro, raciocinando que se um buraco negro fosse muito grande ou lento, engoliria uma estrela de nêutrons antes que tivesse a chance de produzir elementos Eles também determinaram a resistência de cada estrela de nêutrons a ser interrompida. Quanto mais resistente uma estrela, menos provável que produza elementos pesados. Eles também estimaram a frequência com que uma fusão ocorre em comparação com a outra, com base em observações do LIGO, Virgo e outros observatórios.
Por fim, a equipe usou simulações numéricas desenvolvidas por Foucart para calcular a quantidade média de ouro e outros metais pesados que cada fusão produziria, dadas as combinações variadas de massa dos objetos, rotação, grau de ruptura e taxa de ocorrência.
Em média, os pesquisadores descobriram que as fusões de estrelas de nêutrons binárias podem gerar de duas a 100 vezes mais metais pesados do que as fusões entre estrelas de nêutrons e buracos negros. Estima-se que as quatro fusões nas quais basearam sua análise ocorreram nos últimos 2,5 bilhões de anos. Eles concluem então que, durante este período, pelo menos, mais elementos pesados foram produzidos por fusões de estrelas de nêutrons binárias do que por colisões entre estrelas de nêutrons e buracos negros.
As escalas podem inclinar-se a favor da fusão estrela de nêutrons com buraco negro se os buracos negros tiverem giros altos e massas baixas. No entanto, os cientistas ainda não observaram esses tipos de buracos negros nas duas fusões detectadas até o momento.
Chen e seus colegas esperam que, à medida que LIGO e Virgo retomam as observações no próximo ano, mais detecções melhorem as estimativas da equipe para a taxa em que cada fusão produz elementos pesados. Essas taxas, por sua vez, podem ajudar os cientistas a determinar a idade de galáxias distantes, com base na abundância de seus vários elementos.
“Você pode usar metais pesados da mesma forma que usamos carbono para datar restos de dinossauros”, diz Vitale. “Como todos esses fenômenos têm diferentes taxas intrínsecas e rendimentos de elementos pesados, isso afetará como você atribui um carimbo de data / hora a uma galáxia. Então, esse tipo de estudo pode melhorar essas análises”.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela NASA, a National Science Foundation e o LIGO Laboratory.
Fonte: Massachusetts Techonolgy of Institute (MIT, na sigla em inglês) / MIT News Office / publicação 25-10-2021
https://news.mit.edu/2021/neutron-star-collisions-goldmine-heavy-elements-1025
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Hélio R.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e
Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Acompanha e divulga os
conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration),
ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
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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