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Alquimia do universo: como produzir elementos químicos – Parte I

No artigo anterior, falamos sobre a observação da colisão de estrelas de nêutrons GW170817 e como graças à ela cientistas confirmaram a origem e abundância de 54 elementos químicos. Sim! A gente não tinha certeza de como foram produzidos muitos dos elementos que encontramos aqui na Terra, como o ouro, a prata e a platina. Imaginávamos — quer dizer, tínhamos as teorias — mas a prova mesmo chegou depois de 17 de agosto de 2017.

Dos 118 elementos químicos que conhecemos 24 são produzidos artificialmente em grandes laboratórios e 94 são produzidos naturalmente. E por natureza aqui nós não estamos falando do nosso pequeno planetinha. Estamos falando de estrelas, da morte de estrelas, da colisão entre estrelas, de fissão de raios cósmicos e do início do universo!

Nucleossíntese é o processo de sintetizar elementos químicos, ou seja, “colar” próton com próton e próton com nêutron, e em quantidades suficientes para “povoar” todo o cosmos com elementos químicos. E esse será o tema desta série de artigos sobre “Alquimia do universo: como produzir elementos químicos”.


Figura 1: Imagem em raios-X da supernova Cassiopeia A mostra como alguns elementos pesados são produzidos durante a explosão de estrelas massivas (supernova): silício (em vermelho), sulfúreo (amarelo), cálcio (verde) e ferro (roxo). As supernovas são uns dos eventos mais importantes na produção de elementos químicos. Créditos: NASA/CXC/SAO

Para preparar o terreno, alguns comentários sobre as escalas vamos usar para falar nesses eventos.

Kelvin
Indicamos a temperatura em Kelvin (K), escala absoluta de temperatura.
Só para ter uma ideia:

  • 0 K é o zero absoluto, equivalente a negativos 273,15 graus Celsius!
  • a temperatura do universo hoje é aproximadamente 2,7 K.
  • a temperatura ambiente de 20 graus Celsius é equivalente a 293 K.

Elétron-volts
É comum usar elétron-volts (eV) para falar sobre escala de energia, principalmente quando falamos em escalas de energia para acelerar partículas. Por definição, 1 eV é a energia cinética (energia convertida em movimento) que 1 elétron ganha quando é acelerado por uma diferença de potencial elétrico de 1 Volt no vácuo.
Só pra dar uma ideia:

  • a tomada da sua casa tem uma diferença de potencial de 110 Volts para acelerar milhares de elétrons presentes nos fios de cobre da sua instalação elétrica.
  • no CERN, o acelerador de partículas mais importante do mundo, cientistas atingiram o recorde de 13 TeV (1012 eV) numa colisão entre dois feixes de partículas. Ou seja, eles produziram energia suficiente para acelerar 13 trilhões de elétrons com uma diferença de potencial elétrico de 1 Volt no vácuo!

A escala de energia da nucleossíntese do Big Bang, evento que vamos falar a seguir, é de milhares de elétron-volts, 1 keV a 100 keV (103 eV) e a temperatura entre milhões e bilhões de Kelvins!

Figura 2: Tabela periódica com elementos produzidos na natureza e legenda representando os eventos que os produzem. Em azul, nucleossíntese do Big Bang; em verde, a morte de estrelas de baixa massa; em rosa, fissão de raios cósmicos; em dourado, explosão de estrelas massivas; em roxo, colisão de estrelas de nêutrons; e em cinza, explosão de anãs brancas. Créditos: Wikipedia/Jennifer Johnson (OSU).

 

Evento: Nucleossíntese do Big Bang

Quando aconteceu: nos primeiros 3 minutos de existência do universo, há quase 14 bilhões de anos atrás. E, olha, já tinha acontecido muita coisa nesses 3 minutos: inflação, surgimento dos quarks, depois dos hádrons (prótons e nêutrons são bárions, tipos de hádron). Depois os neutrinos apareceram. Depois léptons, entre eles os elétrons. E, depois de tudo isso, a nucleossíntese aconteceu.

O que é: a nucleossíntese confinou prótons e nêutrons juntos, formando os primeiros núcleos atômicos.

O que foi produzido: Estima-se que o hidrogênio e o hélio constituem, mais ou menos, 74% e 24%, respectivamente, de toda a matéria (bariônica) do universo! E a maior parte do hidrogênio e hélio-4 encontrados no universo foram produzidos durante a nucleossíntese. Assim como pequenas quantidades de deutério (hidrogênio-2) , hélio-3 e lítio-7. Deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7 são isótopos. (No fim do artigo você encontra uma pequena nota sobre isótopos.)

Escala de energia: 109 K a 107 K (100 keV a 1 keV).

Em quanto tempo produziu: uns 20 minutos.

Com que frequência ocorre: o Big Bang é por definição o evento que deu origem a tudo que existe, então ele aconteceu uma única vez. Porém nas teorias de universo cíclico o universo teria tido vários inícios, ou seja, ele se contrai e expande a cada dezenas (centenas?) de bilhões de anos. Mesmo que seja o caso, a cada contração tudo o que existe seria destruído durante o colapso. Então, se o universo for cíclico, ele necessariamente só tem 1 (um) evento de Big Bang por ciclo.

Nos vemos no próximo artigo para falar sobre os elementos produzidos durante a vida e morte de estrelas.
Até lá! 😀


Nota
Isótopos de um elemento químico têm o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons. Hélio-3 e hélio-4 são isótopos estáveis do hélio; deutério é um dos isótopos instáveis do hidrogênio; e o lítio-7 é o tipo mais comum de lítio encontrado na natureza e é um dos seus dois isótopos estáveis, o outro é o lítio-6.


 

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