Explosões de estrelas massivas podem ter produzido ouro e outros elementos pesados raros, observados em estrelas pobres em metais no halo de nossa galáxia.

As fusões de estrelas de nêutrons produzem elementos pesados ??raros, como o ouro. Ainda não está claro se estrelas em colapso também produzem tais elementos. Crédito da imagem: ESO / L. Calçada / M. Kornmesser

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“Finalmente sabemos de onde vem o ouro!” anunciou as manchetes em 2017 após a detecção de ondas gravitacionais da colisão de estrelas de nêutrons conhecida como GW170817.

Mas nós realmente sabemos?

A receita para fazer elementos mais pesados que o ferro parece bastante simples: bombardeie um núcleo mais leve com nêutrons e observe-o crescer. Mas há um problema, para produzir elementos pesados como ouro, platina e urânio, um núcleo precisa crescer muito rápido, caso contrário, ele se decompõe em elementos mais leves antes de atingir uma forma estável. Este processo rápido produz cerca de metade de todos os elementos mais pesados que o ferro.

A origem cósmica desses elementos de processo rápido, ou processo-r, há muito é objeto de debate. O caso fortuito de GW170817 precipitou um grande salto à frente. A luz visível e infravermelha de curta duração que acompanha a fusão da estrela de nêutrons carregava assinaturas claras de elementos do processo-r. Embora apenas um elemento, nomeadamente o estrôncio, tenha sido identificado nos dados, os cientistas, no entanto, estimaram que este evento sozinho provavelmente produziu entre 3 e 13 massas terrestres.

Mas, embora não haja dúvida de que as fusões de estrelas de nêutrons produzem elementos do processo-r, o júri ainda não decidiu como esses eventos são importantes no grande esquema das coisas. Afinal, outros eventos cósmicos também podem produzir esses elementos. Por exemplo, as mortes violentas de estrelas massivas também podem desempenhar um papel. Em um estudo recente publicado no The Astrophysical Journal (pré-impressão disponível aqui), uma equipe de cientistas mostra que não devemos desconsiderar as supernovas ainda.

História, contada por estrelas pobres em metal 

“Há muitos problemas com a fusão de estrelas de nêutrons como fonte de elementos pesados no universo inicial”, explica Kaley Brauer (Instituto de Tecnologia de Massachusetts), que liderou o novo estudo.

Um problema antigo diz respeito às estrelas pobres em metais encontradas no halo galáctico. Essas estrelas esparsas cercaram o disco espiral da galáxia e se formaram há muito tempo a partir de um gás quase puro que mal foi tocado pelas gerações anteriores de estrelas. No entanto, essas estrelas pobres em metal têm uma quantidade relativamente alta de elementos de processo-r em suas atmosferas. Como esses elementos entraram no gás do qual as estrelas nasceram?

Geralmente, leva bilhões de anos para que duas estrelas em um sistema binário se tornem estrelas de nêutrons, espiralem uma em direção à outra e se fundam. No momento em que a fusão semeia o gás circundante com elementos do processo-r, a estrela pobre em metais já haveria nascido.

O colapso de uma estrela massiva perto do fim de sua breve vida também pode criar condições propícias à formação de elementos do processo-r, mas em escalas de tempo mais curtas do que em uma fusão binária. A ideia funciona em teoria, mas não foi provada diretamente.

Brauer e seus colegas decidiram testar se o cenário de estrelas em colapso poderia explicar a abundância de elementos do processo-r, em particular o európio observado em estrelas pobres em metal. “Começamos com uma suposição simples”, diz Brauer. “E se você dissesse que todos os elementos pesados foram formados dessa forma no início do universo?”

Európio, bário e nanodiamantes

A equipe construiu um modelo simples, mas autoconsistente, de uma galáxia, representada por uma bola gigante de gás na qual várias estrelas entram em colapso. Cada explosão estelar enriquece o gás com metais como o ferro, e algumas dessas supernovas também produzem elementos do processo-r. O modelo reproduz com sucesso as abundâncias relativas de európio e ferro em estrelas pobres em metais.

Uma questão chave é: quantas supernovas têm que explodir para explicar as abundâncias observadas de elementos do processo-r? “[Os pesquisadores] chegaram a algumas conclusões interessantes”, diz Darach Watson (Universidade de Copenhagen). “Eles encontram frequências semelhantes às de longas explosões de raios gama.” Essas explosões de raios gama estão associadas às explosões mais extremas de estrelas gigantes. O resultado implica que nem toda supernova estaria produzindo elementos do processo-r, apenas as mais extremas.

Esta ilustração de uma explosão de raios gama proveniente do colapso de uma estrela massiva, que pode ser o tipo de estrela em colapso com maior probabilidade de produzir elementos de processo-r. Crédito da imagem: NASA / GSFC

Apesar dos resultados promissores, é muito cedo para tirar conclusões sólidas. “A equipe olha apenas para um elemento, o európio, mas também poderia ser possível usar o bário, por exemplo”, diz Watson. O bário é relativamente fácil de detectar nas estrelas pobres em metais e pode ajudar a restringir o modelo. Além disso, Brauer já está estudando como a complexa mistura de elementos no gás de onde as estrelas nascem afeta os resultados.

Watson também chama a atenção para outra linha de evidência frequentemente esquecida: os nanodiamantes. Alguns desses minúsculos diamantes submícron encontrados em meteoritos contêm traços de elementos do processo-r. “A questão é: de onde isso está vindo?” pergunta Watson. “Provavelmente de uma supernova, do colapso de seu núcleo, mas quem sabe?”

Em última análise, os cientistas terão que lidar com a complexa questão da origem dos elementos do processo-r de diferentes ângulos. Do jeito que as coisas estão agora, parece que mais de um tipo de fonte cósmica contribui para a abundância geral do ouro e elementos relacionados no universo.

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Referência:

JAPELJ, Jure. Metal-Poor stars shed light on the origin f gold. Sky & Telescope, New York, 02, jun. 2021. Disponível em: <https://skyandtelescope.org/astronomy-news/metal-poor-stars-shed-light-on-the-origin-of-gold/>. Acesso em: 08, jun. 2021.