Anãs brancas poderiam explodir sozinhas em supernovas? Talvez, graças ao urânio

Anãs brancas poderiam explodir sozinhas em supernovas? Talvez, graças ao urânio

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 17 de Março de 2021 às 07h30
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Lab

Alguns tipos de estrela estão destinados a explodir em incríveis supernovas, ou a se transformar em estrelas de nêutrons. Outras, como o nosso Sol, são pequenas demais para desencadear esses processos e se tornarão anãs brancas, uma espécie de “caroço” de estrela que esfriará ao longo de bilhões de anos. Mas, segundo um novo estudo, algumas anãs brancas podem explodir espontaneamente em supernovas, graças a “flocos” de urânio.

Anãs brancas podem explodir em supernovas?

Anãs brancas são muito densas e podem se alimentar de estrelas companheiras, caso façam parte de um sistema binário (Imagem: Reprodução/NASA/CXC/M. Weiss)

Os astrônomos consideram que as anãs brancas podem explodir, mas como elas são apenas resíduo de uma estrela que completou o seu ciclo de vida e cessou sua fusão nuclear, elas necessitam de uma “ajudinha” para se transformar em supernova. Essa ajuda pode vir de uma segunda estrela, caso esteja em um sistema binário. Ao absorver matéria da outra estrela, a anã branca pode voltar a realizar reações de fusão.

Para que isso ocorra, são necessários alguns requisitos. Por exemplo, a anã branca deve ser do tipo comum de carbono-oxigênio e estar perto de uma estrela ainda “viva”. Caso essa doadora forneça material o suficiente, a anã branca ganhará massa, ultrapassando seu limite “permitido” e voltará a realizar fusão nuclear até explodir, pois ela não será capaz de expandir. Essa explosão é chamada de supernova do tipo Ia. Caso isso não ocorra, ela não terá uma fonte de energia adicional e vai gradualmente irradiar sua energia até esfriar.

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Bem, ao menos essa é a mecânica prevista pelos modelos atuais dos astrônomos. Mas o novo estudo pode adicionar mais algumas variáveis, aumentando as chances de uma anã branca acabar em uma explosão. Para isso, ela precisará de actinídeos, o grupo de elementos que formam parte do período 7 da tabela periódica. Esses elementos, especialmente o urânio, podem fornecer a energia necessária para fazer com que a anã branca volte a realizar fusão nuclear.

Flocos de urânio

Anãs brancas se separam em fase e seus núcleos se cristalizam (Imagem: Reprodução/University of Warwick/Mark Garlick)

De acordo com os autores do estudo, à medida que uma anã branca esfria, os primeiros sólidos que se formam começam a cristalizar. Esses elementos, formados pela própria composição da antiga estrela e por impurezas que são espalhadas constantemente pelo universo, tendem a ser muito enriquecidos em actinídeos. Isso ocorre devido à relação dos pontos de fusão de matéria e as cargas atômicas elevadas dos actinídeos.

O artigo propõe que esses sólidos cristalizados podem ser tão enriquecidos em actinídeos que poderiam fornecer a energia necessária para a ignição de uma reação em cadeia de fissão nuclear. Esta reação pode resultar na queima de carbono e chumbo presentes na anã branca, o que a levaria à explosão em uma supernova termonuclear, ou seja, do tipo Ia, sem a ajuda de uma segunda estrela.

Para justificar a hipótese, os autores lembram da descoberta de um reator nuclear natural encontrado em uma mina de carvão no Gabão, África. De acordo com cientistas que estudaram o caso, reatores como este surgiram como resultado da abundância e densidade do Urânio-235 (um isótopo do urânio natural presente em nosso planeta e em todo o Sistema Solar, capaz de sustentar uma reação nuclear em cadeia). Esse reator natural estava escondido em na crosta terrestre há pelo menos dois bilhões de anos, gerando movimentando um equivalente a 100 Kw de energia.

Algo semelhante poderia ocorrer em uma anã branca, dizem os cientistas. À medida que resfria, a estrela passa por uma separação de fases, algo semelhante à sedimentação, de um isótopo de neônio rico em nêutrons, o que poderia “liberar energia gravitacional significativa e retardar o resfriamento”. As impurezas com cargas atômicas altas também poderiam se separar em fases, com os átomos mais pesados “afundando” até o núcleo e se solidificando primeiro. Entre eles, o urânio.

Explodindo sozinha

Ilustração de uma explosão de supernova (Imagem: Reprodução/ESO/M. Kornmesser)

Quando esses átomos de urânio se chocam no interior da anã branca, eles congelam, formando minúsculos flocos radioativos. Em algum momento, um nêutron “desobediente” passando pelo núcleo poderia colidir com um dos flocos, desencadeando a fissão nuclear. Essa fissão poderia resultar em uma reação em cadeia, semelhante à de uma bomba nuclear, gerando energia o suficiente para a fusão do carbono.

Isso poderia de fato acontecer, já que o urânio puro tem uma temperatura de fusão 95 vezes mais alta do que a temperatura de fusão do carbono, e tende a se separar por fase após a cristalização. Os primeiros sólidos serão muito enriquecidos em actinídeos, porque eles têm o Z mais alto, mesmo que a abundância inicial de actinídeos seja muito baixa. Então, se os requisitos forem atendidos, uma anã branca poderia explodir em uma supernova espontaneamente.

Por outro lado, para que essa reação em cadeia aconteça, é necessário que haja bastante do isótopo 235 do urânio. O problema é que esse isótopo decai naturalmente com o tempo (alguns bilhões de anos), esse tipo de explosão só é possível nas estrelas maiores, que têm a expectativa de vida mais curta. Portanto, estrelas menores, como o Sol, não teriam urânio-235 suficiente para desencadear esse processo quando se tornarem anãs brancas.

Essas supernovas do tipo Ia são importantes para a cosmologia, pois podem ser usadas como indicadores de distância. Aliás, o Prêmio Nobel de Física de 2011 foi concedido aos pesquisadores Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt pelo uso de supernovas desse tipo para descobrir o que a expansão do universo está acelerando. Entretanto, os mecanismos de explosão da supernova Ia ainda não são muito bem compreendidos. O próximo passo do estudo é criar simulações para ver se esse mecanismo funciona, ou se ao menos possibilita às anãs bancas algum tempo de fusão nuclear, mesmo que fraca.

Fonte: Space.com

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