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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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Todo o ouro do Universo: colisão de estrelas de nêutrons

A meta hoje é impressionar. É fazer teu queixo cair. Você já deve ter ouvido falar sobre a colisão de estrelas de nêutrons que foi divulgada no mês passado. Nós reunimos a seguir os números mais interessantes dessa empreitada cósmica. #VamoBora!

Ilustração artística da colisão de estrelas de nêutrons.
Créditos: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

1 evento inédito: nós vimos e “ouvimos” a colisão entre 2 estrelas de nêutrons!

20 Km é o raio médio de cada uma dessas estrelas.

1.000.000.000.000 Kg é aproximadamente quanto pesa 1 colher de chá de estrela de nêutrons. Sim! Se fosse possível medir uma colherinha de chá desses objetos, ela pesaria o mesmo que o Monte Everest!

1min e 40 segundos foi o tempo de duração do impacto entre as 2 estrelas.

50 vezes a massa da Terra foi a quantidade de prata produzida durante a colisão,

100 vezes a massa da Terra em ouro e

500 vezes a massa da Terra em platina!

70 observatórios no chão e no espaço observaram o fenômeno.

3.500 cientistas de 910 instituições ao redor do mundo escreveram o artigo sobre a

observação.

R$ 3.200.000.000 é o investimento aproximado da Fundação Nacional de Ciência (NSF/EUA) desde construção em 1990 até 2016 do observatório LIGO, o primeiro a medir ondas gravitacionais.

Isso é ciência que faz os pelinhos do braço arrepiarem, não é mesmo? (Fora quando a gente lembra que o orçamento proposto para toda a pasta do MCTIC em 2018 é R$ 1.680.000.000… Essa dá arrepio… ruim… na espinha…)


Mais ondas gravitacionais!

Ano passado foi divulgada a primeira observação de ondas gravitacionais durante uma colisão de buracos negros pelos cientistas do observatório LIGO. De lá pra cá, a detecção já recebeu prêmio Nobel de Física e mais 4 colisões de buracos negros foram divulgadas (a última em 15/11/17). A coisa já está tão rotina que ninguém se comove mais. Na verdade, tudo está acontecendo conforme o previsto: as observações passam a ser corriqueiras e os dados são coletados sem muito alarde quando os fenômenos e os processos passam a ser conhecidos. As novidades virão quando a análise dos dados trouxer à luz o desconhecido…

E tchan tchan tchan!!! Novidades vieram bonitas e cintilantes no último 16 de outubro com a divulgação da primeira observação da colisão de duas estrelas de nêutrons!

Simulação do giro fatal de duas estrelas de nêutrons.
Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / CI Lab

Na animação acima “as estrelas de nêutrons condenadas giram em direção a sua morte. As ondas gravitacionais (arcos pálidos) sangram a energia orbital, fazendo com que as estrelas se aproximassem e fundissem. À medida que as estrelas colidem, alguns detritos se afastam em jatos de partículas movendo-se a quase a velocidade da luz, produzindo uma breve explosão de raios gama (magenta). Além dos jatos ultra rápidos que alimentam os raios gama, a fusão também gera detritos móveis mais lentos. Um fluxo gerado pela acreção do remanescente da colisão emite luz ultravioleta que se desvanece rapidamente (violeta). Uma nuvem densa de detritos quentes são arremessados das estrelas de nêutrons logo antes da colisão produzir luz visível e infravermelha (azul-branco através de vermelho). O brilho UV, óptico e infravermelho próximo é designado coletivamente como um kilonova. Mais tarde, uma vez que os restos do jato dirigido para nós se expandiram para a nossa linha de visão, os raios X (azul) foram detectadas. Esta animação representa fenômenos observados até nove dias após o GW170817.” (Citação traduzida da descrição do vídeo da animação.)

Nesse caso dois foram os observatórios que detectaram as ondas gravitacionais: o primeiro o VIRGO, na Itália, e depois o LIGO, nos EUA. Nós já discutimos aqui no blog das Cientistas Feministas o que são ondas gravitacionais, porquê elas são bacanas e como esses interferômetros funcionam. Então, vamos partir para alguns detalhes da colisão das estrelas de nêutrons.

 

Diário de pesquisa de 2 estrelas morrendo e 70 observatórios

Há mais de 130 milhões de anos atrás, 2 estrelas de nêutrons, com aproximadamente 20 Km de diâmetro cada, e orbitando uma entorno da outra a 300 Km de distância, começaram a ganhar velocidade (aproximadamente ⅓ da velocidade da luz) enquanto se aproximavam cada vez mais nos momentos que se seguiram a sua colisão.

Muito tempo depois, no dia 17 de agosto de 2017 do calendário terráqueo, o observatório VIRGO detectou o sinal de ondas gravitacionais compatível com o esperado de colisões entre 2 estrelas de nêutrons. E 22 milisegundos depois, o observatório LIGO detectou o mesmo sinal.

“Ouvindo” a colisão de 2 estrelas de nêutrons: reconstrução do sinal de GW170817.
Presta atenção depois dos 50s!
Créditos: LIGO/University of Oregon/Ben Farr

 

Em menos de 1,7 segundos depois (de VIRGO), o telescópio espacial Fermi (NASA/EUA) detectou um pico fraco de luz altamente energética (raios gama do espectro electromagnético).

 

Comparando sinais: Observe que o pico no sinal de raios gama detectado pelo telescópio Fermi/NASA ocorre aproximadamente 2 segundos depois que ondas gravitacionais atingem os detectores do observatório LIGO.
Créditos: NASA’s Goddard Space Flight Center, Caltech/MIT/LIGO Lab

A partir das  informações dos três observatórios foi possível triangular a região no espaço aonde estaria a fonte e, sabendo-se que uma coincidência desse tipo tem 0,2% de chance de acontecer, mais de 70 observatórios na Terra e no espaço receberam as coordenadas para observar o evento. Nas duas semanas que sucederam, o fenômeno foi observado em várias frequências do espectro eletromagnético, além dos raios gama: raios X, ultravioleta, luz visível, infravermelho e rádio. É a primeira vez que vemos (espectro eletromagnético, inclusive visível) e “ouvimos” (ondas gravitacionais) um evento desse tipo. E por isso, o evento de detecção de ondas gravitacionais GW170817 será o marco que deu início a astronomia de multi-mensageiros.  Dá uma olhada na animação anterior simulando os dados obtidos nos 9 primeiros dias.

 

Resultado: Kilonovas trazem ouro, muito ouro! E mais da metade dos elementos da tabela periódica!

É basicamente isso: 54 elementos da tabela periódica ainda não tinham sua origem e/ou abundância confirmada pelos cientistas. Suspeitava-se que fossem formados em eventos tais como colisões de estrelas de nêutrons, mas só agora fomos capazes de ter certeza.

A origem dos elementos do Sistema Solar.
Créditos: Jennifer A. Johnson/The Ohio State University/NASA/ESA

 

Na tabela periódica acima temos indicadas as origens dos elementos: em azul os que foram produzidos durante o Big Bang; em violeta os gerados durante fissão de raios cósmicos; em verde, durante explosão de estrelas massivas; em azul claro, durante explosão de anãs brancas; em amarelo, durante a morte de estrelas de baixa massa; e, finalmente, 54 elementos (todos mais pesados que o zircônio) são produzido em explosões causadas pela colisão de estrelas de nêutrons (kilonovas).

Lembra dos números do início do artigo? Só para se ter uma ideia, foram produzidos em aproximados 1,5 minuto mais 50 vezes a massa da Terra em prata, 100 vezes a massa da Terra em ouro, 500 vezes a massa da Terra em platina, e mais as respectivas proporções dos outros 51 elementos. É estimado que esse único evento de kilonova espalhou mais de R$ 320 octilhões de reais só em ouro pelo Universo, ou seja,

R$320.000.000.000.000.000.000.000.000 !

Com esse dinheiro dava para pagar uns 10 quatrilhões de LIGOs! É orçamento para cada país no mundo ter mais de 50 trilhões de LIGOs! o.O

Ok… Parei aqui com os delírios de grandeza. Na próxima a gente se encontra e conversa mais sobre como os elementos químicos são formados.

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Nota: Todas as estimativas feitas no presente artigo usaram as estimativas em dólar oferecidas neste e neste artigos. E, em reais, segundo este. A cotação entre dólar em reais foi estimada em US$1,00 por R$3,20 só a título de ilustração. As fontes já foram também citadas ao longo do texto.