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Alquimia do universo: como produzir elementos químicos – Parte II

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Figura 1:  Estrela Sh2-106. Imagem do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA mostrando a estrela recém-formada Sh 2-106. Crédito: NASA/ESA

Continuamos a nossa série “Alquimia do universo” que começou aqui falando sobre os elementos criados durante o Big Bang. O evento que deu origem ao universo produziu a maior parte do hidrogênio e do hélio que existe! Isso não é pouca coisa quando consideramos que aproximadamente 98% de toda a matéria comum (bariônica) que forma você, as árvores, a Terra, o Sol é composta por hidrogênio e hélio.

Tudo muito bom e muito bonito mas hoje nós vamos falar das estrelas! ⭐ Antes de nós passarmos para nosso bate-bola estelar (e não, não vamos falar de falar de futebol 🤣), vamos falar sobre o que são estrelas.

Vídeo 1: SN 2006gy, uma estrela explodindo. Simulação de uma estrela extremamente massiva lançando algumas de suas camadas externas em uma grande erupção antes de colapsar violentamente. A explosão (do tipo supernova) por sua vez entra no gás expelido (em cor acobreada), que se encontra numa temperatura mais fria, criando um espetáculo de luz brilhante. Créditos: NASA/CXC/A.Jubett.]

Estrelas são bolas de gás e poeira com a particularidade que elas conseguiram juntar tanto gás e tanta poeira (graças à força gravitacional) que o núcleo dessas bolas esquentou, e esquentou, até atingir uma temperatura em torno de 4 milhões de Kelvins! Isso é tipo um cadinho menos que 4 milhões de graus Celsius! 🔥😵🔥 Essa temperatura é especial porque significa que agora a nossa “bolinha de poeira” tem energia suficiente para fusionar os núcleos de hidrogênio originando novos núcleos de hélio. E isso acontece bilhões de vezes por segundo, e cada fusão desse tipo gera mais energia, numa cadeia de inúmeras explosões atômicas. É essa energia liberada no processo de fusão que transforma a ex-bola de gás numa bola de gás incandescente: uma estrela.

Vídeo 2: Simulação sobre a formação estelar. O início da simulação parte de uma nuvem molecular distribuída esfericamente que, graças ao efeito da gravidade, começa a colapsar até eventualmente originar estrelas. Créditos: Youtube/Francis Villatoro.

Durante esse período no qual a estrela transforma o hidrogênio presente em seu núcleo em hélio, dizemos que a estrela está na sequência principal de sua evolução estelar. E essa também corresponde a maior fase da vida de uma estrela, como se fosse sua vida adulta.

Se você quer entender melhor como estrela evoluem, dá uma olhada nessa simulação maneiríssima onde você mesma, pessoa, escolhe o tamanho da sua estrela. Tá em português!

 

Só para dar uma ideia..
uma estrela como o nosso Sol demorou 50 milhões de anos para juntar energia suficiente antes de começar a fusionar hidrogênio. Ela está na sequência principal (fase adulta) há aproximadamente 5 bilhões de anos e assim vai permanecer por mais uns 5 bilhões de anos.🌞

 

Depois que a estrela queima o hidrogênio do seu núcleo, os eventos seguintes dependem da massa da estrela. Estrelas entre 0,08 até ~8 massas solares são consideradas estrelas de baixa massa. E estrelas superiores a 8 massas solares estão na categoria de estrelas massivas. A estrela mais massiva observada até hoje tem 265 vezes a massa do Sol, mas estima-se que no começo de sua fase na sequência principal sua massa foi de 320 vezes a massa do Sol! 🤯

Talvez você esteja pensando que estrelas de massivas “vivam” mais do que estrela com menos massa, mas é o contrário. A força gravitacional das estrelas massivas é maior do que as com menos massa. Por isso, a pressão do seu núcleo é muito maior, o que eleva ainda mais a temperatura, fazendo com que queimem o seu hidrogênio muito mais rápido do que estrelas menos massivas. Uma estrela com baixa massa fica na sequência principal por dezenas de bilhões de anos, enquanto estrelas massivas “apenas” por centenas de milhões de anos. Fala sério, vai me dizer que não bateu um alívio do Sol ser do time das baixinhas agora! 

 

Voltando ao assunto, depois que a estrela queima o hidrogênio do núcleo, ela passa a queimar outros elementos (ou o hidrogênio de camadas fora do núcleo), desde que ela atinja a energia de fusão desses outros elementos químicos. E, como você pode imaginar pelo papo que tivemos até aqui, quanto maior a massa da estrela, maior a temperatura que ela pode atingir. Então, quanto mais massiva, mais elementos químicos ela produz.

Sendo assim, estrelas de baixa massa têm energia suficiente para produzir carbono, nitrogênio e oxigênio. Estrelas massivas produzem esses elementos e continuam colapsando e subindo a temperatura de seus núcleos produzindo, subsequentemente, elementos químicos até chegar ao Ferro. Dá uma olha na tabela periódica a seguir para conferir os elementos.

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).

 

E agora vamos ao nosso bate-bola!

Evento: Nucleossíntese estelar

Quando acontece

Dentro das estrelas, durante a fase principal da vida das estrelas e depois em sucessivos processos anteriores a sua morte.

O que é 

As estrelas fundem elementos químicos através de fusão nuclear de forma a manterem sua estabilidade hidrostática: o equilíbrio entre a força gravitacional gerada pelo efeito sua própria massa (pressão “para dentro” da estrela) contra a radiação eletromagnética produzida durante a fusão dos elementos (pressão “para fora” da estrela).

O que é produzido

Desde do hélio-4, a partir do fusão dos núcleos de hidrogênio, até o oxigênio-16 em estrelas de baixa massa. Em estrelas massivas são produzidos elementos desde o hélio-4 até o ferro-56. Veja na tabela periódica a seguir os outros elementos químicos.

Escala de energia
  • o hélio-4 é produzido a temperaturas de 4 milhões de Kelvins;
  • o oxigênio-16 a 2 bilhões de Kelvins;
  • e o ferro-56 a 3 bilhões de Kelvins.
Em quanto tempo são produzidos
  • todo o hélio-4 é produzido em dezenas de milhões de anos;
  • a produção de oxigênio-16 em menos de 1 ano;
  • e, por fim, todo o ferro-56 em menos de 1 segundo!!!
Com que frequência ocorre 

Isso está acontecendo desde que o universo tinha aproximadamente 100 milhões de anos. Hoje, estima-se que o universo tem mais ou menos 14 bilhões de anos e em torno de 2 trilhões de galáxias. E cada galáxia tem em torno de 100 milhões de estrelas, das quais 90% estão na fase de transformar hidrogênio em hélio e as outras 10% estão produzindo outras coisas. Vou deixar para você contar quantas estrelas estão queimando hidrogênio nesse exato instante 😉

Os dados desse bate-bola foram retirados dessa aula super legal do Dr. Dmitry Semenov, Instituto de Astronomia Max Planck, na Alemanha.

 

Espero que você esteja pensando “tá legal, mas perá lá! E o que acontece depois disso? Como é que a estrela libera tudo isso no espaço? Cadê estrela de nêutrons, buracos negros e supernovas? Falta coisa aí!”. E você está certíssima, pessoa! E esse será o tema do nosso próximo papo: os elementos químicos produzidos na morte das estrelas. ⭐💥💀💫

Vídeo 3: Animação da formação de uma nebulosa planetária. Ao contrário do que o nome sugere nebulosas planetárias não dão origem a planetas. Elas são a sopa quente e poderosa de elementos químicos formadas após a explosão de anã branca. 🤩 Esse é tipo o de fim de vida que nosso Sol vai levar. 💥 Créditos: NASA/ESA/J.Gitlin(STScI).

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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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Entrevista: Natalia Oliveira (Dance Your PhD)

Uma das maiores dificuldades das(os) cientistas é ir além dos seus pares e explicar o conteúdo e resultados de sua pesquisa para o grande público. Essa preocupação em particular não parece ser um problema para a Dra. Natália Oliveira, vencedora da categoria de Química e do Voto Popular do concurso mundial “Dance Your PhD 2017” promovido pela revista Science. Em parceria com a cia de dança Vogue 4 Recife, Natalia transformou sua tese intitulada “Desenvolvimento de Biossensores para as Ciências Forenses” em um vídeo explicativo, em que o tema e resultados do estudo dela são explicados de forma lúdica (e dançante!) ao público geral. O trabalho apresentado no clipe também já está publicado em periódico científico e pode ser conferido aqui. Vem conhecer um pouco mais dessa mulher, artista, cientista e feminista e única finalista brasileira do concurso na entrevista de hoje:

CF – Oi, Natália! Você poderia descrever sua pesquisa?

Minha pesquisa é baseada no aparelho que detecta glicose no sangue que pode ser usado em casa pelos diabéticos. No meu caso, o aparelho desenvolvido é uma adaptação desse modelo, em que avalia com mais especificidade amostras biológicas, como sangue, sêmen e saliva nas cenas de crime. A vantagem desse sistema é que ele consegue detectar as amostras mesmo que a cena do crime tenha sido lavada, que é o que geralmente os criminosos fazem pra tentar escapar.

CF – O que te motivou a estudar ciência? Em especial, ciência forense?

É engraçado, eu sempre quis fazer artes, mas quando fui estudar biologia sempre quis estudar Genética. Quando eu entrei na graduação (Ciências Biológicas), veio a possibilidade de estudar Genética e ciência forense, e vislumbrei trabalhar com investigação criminal, como perita, aí eu vi que era isso que eu queria pra mim.  Eu conheci uma perita criminal, que foi minha orientadora da graduação, e depois que a conheci, eu soube que era com isso que eu queria trabalhar. Quando fui pro mestrado, tive que procurar um outro orientador, que me introduziu a ideia dos biossensores. Mesmo trabalhando com um assunto não relacionado com a ciência forense, eu já tinha a vontade de desenvolver algo nessa área da biotecnologia, porque eu vi que tinha carência em alguns aspectos técnicos de métodos usados na investigação de crimes, que estavam precisando de coisas novas, dar uma atualizada… Então eu fiquei com esse embriãozinho e no meu doutorado consegui trabalhar com isso.

CF – Como surgiu a ideia de video clipe?

A ideia surgiu por um pesquisador do meu laboratório aonde fazia o meu doutorado. Ele sabia que eu já fazia teatro há um tempinho e que eu tinha entrado recentemente numa companhia de dança (Vogue 4 Recife). Estávamos discutindo em um grupo do trabalho no Whatsapp,que contem alunos, professores e outros pesquisadores quando ele sugeriu: “Por que tu não participas desse concurso?”. Aí mandou o link. No começo eu não queria fazer [risos]. Mas ele insistiu, disse: “Faça! É a sua cara!”. Acabei comprando a ideia, comecei a ver os vídeos das competições passadas e me empolguei. Levei a ideia para os meus colegas da Vogue 4 e decidi tentar.

CF –  E quanto tempo levou o processo de transformar a tua tese em uma coreografia?

O concurso abriu em março deste ano, só que eu só tive coragem para começar a fazer todo o planejamento em julho – e a deadline era em setembro! Daí, eu cheguei com a ideia pros meninos da Vogue 4 Recife no comecinho de julho com uma ideia e depois disso, desenvolvemos juntos o roteiro geral do clipe. Em agosto, a gente acertou as coreografias e em setembro, a gente fez a gravação em duas tardes: uma tarde no laboratório e uma  no Recife Antigo. Resumindo, foram mais ou menos uns três meses de preparação. Mandamos no último dia da competição, deadline, oito horas da noite, acabava meia noite… “Minha gente, pelo amor de Deus!” [risos]. Mas deu certo. Com muita emoção! [risos].

CF – O video clipe integrou arte e ciências, há outros tipos de trabalhos que você faz que conectam estas áreas?

Eu nunca tinha feito nada que integrasse ciência e arte, mas eu já tinha uma vibe de querer dar uma misturada nas coisas, sabe? É que eu tenho uma coisa muito de criança, de querer misturar tudo e brincar… Mas nunca fiz nada na prática que não fossem atividades da época de escola mesmo. O vídeo foi a primeira vez que misturei as duas coisas.

CF –  Para você, quanto a criatividade é importante para ser cientista?

Eu acho bem importante a gente ter arte para ser cientista, justamente por conta da criatividade. Lembro que eu estava em um evento sobre parques tecnológicos em 2013 e ouvi de um pesquisador que falava para seus alunos que eles tinham que buscar arte: “não fiquem só no laboratório, não se limitem. Vão buscar criatividade em locais que vocês nunca imaginaram”. Ele dizia que a arte era um meio condutor. Se a gente for pensar na questão da academia, acaba reproduzindo o que já existe. Então se a gente tem uma novidade, isso é possibilitado pelas artes. Então, além de nos humanizar, a arte expande nossa cabeça para pensar em métodos e situações que nunca pensamos na nossa vida acadêmica. Mas não só para cientistas: a arte ganha bastante com a ciência, porque só a criatividade, sem um jeito de reproduzi-la, faz com que muita coisa se perca. Uma certa “metodologia” é válida para as artes, também.

CF – O que você pretende fazer no futuro?

Tenho planos não só na parte científica, mas também na parte artística. Terminei o doutorado em fevereiro e comecei meu pós-doutorado na mesma linha de pesquisa também na UFPE. Já tem uma equipe boa aqui no laboratório para a gente continuar investigando essa área de cenas de crime, mas também expandir para a detecção de drogas ilícitas. Não pretendo ser professora e trabalhar na academia. Gosto de pesquisa científica e sempre quis ser perita. Isso me possibilita fazer pesquisa e seguir a carreira de polícia. Sempre fui meio Sherlock Holmes e CSI [risos].

Com o pessoal da companhia de dança, estamos tentando expandir mais essa ideia que deu uma visibilidade boa pro nosso grupo. O vídeo foi exibido na abertura do X Janela Internacional de Cinema, aqui no Recife!  Foi muito emocionante ver o nosso vídeo projetado naquela tela de cinema enorme, que quando eu era criança assisti O Rei Leão. Pretendemos investir em projetos audiovisuais e também fazer o Making off do nosso video clipe. Por enquanto estamos focando nos derivados do clipe, mas depois vamos pensar em nos planos para 2018.. Estávamos tentando fazer um espetáculo, mas como todos tem seus compromissos, ainda não conseguimos conciliar o tempo de todos. Quem sabe?

CF – Como você vê a questão das minorias na vitória por voto popular do videoclipe?

No começo eu pensei “como é que a academia vai receber isso?”. Não rola um preconceito direto, mas sempre rola um ou outro comentário preconceituoso.  A comunidade ALGBTTQI me acolheu quando eu comecei a estudar teatro e foi graças a eles que hoje eu sou quem eu sou. Então, eu não quis coibir a criatividade de ninguém da companhia. Quem quiser aceitar que nos aceite, porque é isso que a gente é. A gente é uma minoria, mas quer se sentir representado. Então foi por isso que eu disse “gente, vamos gravar isso e aquilo e cada um se veste do jeito que quer. Quem quiser vir de drag vem, quem quiser vir de salto vem. A gente tem que mostrar a nossa luta, que é inerente à história do Vogue”. Seria incoerente colocar todo mundo num padrão hetero-normativo e falar de Vogue. Recebemos críticas falando que somos vagabundos e que estamos gastando dinheiro público, quando na verdade nós usamos nosso dinheiro para produzir o videoclipe. O meu (videoclipe) é uma dança de rua, uma dança de periferia, então pode ter sido por isso que não tenha ganhado, segundo o comentário de alguns. Mas eu não penso muito nisso, eu já me sinto vitoriosa pelo voto popular. O fato de ter uma universidade que não está entre as cem melhores do mundo e ser a única representante da América Latina concorrendo, isso sim pra mim já foi uma vitória.

CF – Quais são as medidas necessárias para manter as mulheres na ciência e qual conselho você daria para as mulheres na ciência?

Eu acho que para manter as mulheres na ciência, a gente precisa de inspiração desde a infância, seja com modelos, com brinquedos e sobretudo sem o estereótipo de que “isso é coisa de menina e isso é coisa de menino. Menina só pode ter profissões determinadas no mercado, enquanto que homens podem fazer o que querem”. Resumindo: mudar o pensamento e nutrir a ideia de profissão gender free, já que todos os seres humanos são capazes de realizar qualquer atividade. E sobre as mulheres na ciências: manas, vocês são maravilhosas! Continuem conquistando seus espaços bravamente, com as pesquisas de ponta, sem esmorecer frente a possíveis episódios machistas que venhamos a enfrentar no nosso cotidiano. O mundo científico é feito por mentes abertas e por pessoas e nós é quem devemos mudar os paradigmas conservadores que existem atualmente.

Obrigada, Natália! Parabéns e sucesso nos novos rumos! 🙂

Entrevista feita por @ribeirosantosn@carmensandiego e @diehistorikerin