Quanto ouro uma colisão entre estrelas de nêutrons pode gerar? Spoiler: muito!

A investigação sobre a origem de toda a matéria do universo deu um novo passo, com um estudo sobre a formação dos elementos pesados, como ouro e platina, através da colisão entre estrelas de nêutrons. Os astrônomos já têm indícios de que este é um dos processos capazes de forjar mais de metade dos elementos da tabela periódica, mas a nova pesquisa tenta saber em quais quantidades uma colisão desse tipo produz tais elementos.

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O estudo foi realizado por pesquisadores do MIT e da Universidade de New Hampshire, e compara a quantidade de metais pesados (em astronomia qualquer coisa além de hidrogênio e hélio será considerado “metálico”) produzidos por colisão entre duas estrelas de nêutrons e de uma estrela de nêutrons com um buraco negro. De acordo com os resultados, a maior quantidade de metais do universo nos últimos 2,5 bilhões de anos foi produzida nas colisões entre duas estrelas de nêutrons.

Essa foi a primeira comparação entre os dois tipos de fusão e seus papéis na produção de elementos pesados da tabela periódica. Isso significa que os sistemas binários de estrelas massivas são extrema importância nesse sentido, porque, só através deles, duas estrelas de nêutrons podem formar um sistema cataclísmico, em órbita espiral que eventualmente resultará em uma fusão. Estrelas solitárias

Para que uma estrela de nêutrons seja formada, é necessário que as estrelas massivas (10 a 29 massas solares) atinjam o ponto crítico de fusão nuclear, no qual ocorre o colapso da massa sobre si mesma e a explosão em supernova. Isso acontecerá quando a fusão de ferro estiver ocorrendo no núcleo da estrela. Ou melhor, quando ela tentar fundir o ferro, e fracassar, porque ela não possui energia o suficiente para realizar a fusão de tantos prótons (o ferro possui 26 prótons em seu núcleo).

Nesse ponto, a estrela explode e, nesse processo, outros elementos são formados, do número atômico 6 ao 40, de acordo com os modelos dos astrônomos. Mas essa supernova não consegue forjar elementos como o ouro, que tem número atômico 79, ou platina, de número atômico 78. Mas o que sobra após a explosão da supernova — a estrela de nêutrons —, é um dos objetos mais densos do universo e capaz de realizar novos processos químicos.

Quando duas estrelas massivas nascem perto uma da outra, formam um sistema binário. Esse tipo de estrela, de cor azulada, tem vida curta, e explodem em alguns milhões ou milhares de anos, enquanto estrelas como o Sol duram por bilhões de anos. Quando sistemas binários de estrelas azuis explodem em supernovas, o que fica para trás são duas estrelas de nêutrons que orbitam um ponto em comum.

Esses sistemas binários super densos podem rodopiar em uma espiral “mortífera”, resultando em uma colisão entre as duas estrelas de nêutrons. O impacto cria ondas gravitacionais — e foi justamente uma dessa natureza que os cientistas do LIGO e Virgo detectaram em 2017. Aquela fusão de estrelas de nêutrons produziu uma quantidade de ouro equivalente a várias vezes a massa da Terra, de acordo com os autores do estudo.

Ao comparar esse tipo de fusão com a colisão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro, a equipe primeiro estimou a massa de cada objeto em cada uma das espécies de fusão, bem como a velocidade de rotação de cada buraco negro. Se o buraco negro fosse muito grande ou lento, engoliria uma estrela de nêutrons antes de ter a chance de produzir elementos, por exemplo. Eles também determinaram a resistência de cada estrela de nêutrons — quanto mais resistente, menos provável que produza elementos pesados. Por fim, estimaram a frequência com que uma fusão ocorre em comparação com a outra, com base nas observações do LIGO, Virgo e outros detectores de ondas gravitacionais.

Como resultado, os pesquisadores descobriram que as fusões de estrelas de nêutrons binárias podem gerar de 2 a 100 vezes mais metais pesados ​​do que as fusões entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Conhecer as taxas de elementos pesados que cada fusão produz pode ajudar os astrônomos a descobrir a idade de galáxias distantes e se nelas ocorreram esse tipo de colisão no passado.

O estudo foi publicado no The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: MIT