Estudo revela formação de elementos pesados por neutrons em estrelas

Los Alamos, EUA — InkDesign News — Pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos propuseram uma nova descoberta sobre a formação dos elementos mais pesados da tabela periódica, sugerindo que jatos de fótons de alta energia, gerados durante explosões de raios gama em estrelas colapsadas, podem produzir nêutrons livres essenciais para esse processo.

Contexto da descoberta

A formação dos elementos mais pesados, como urânio e plutônio, depende da captura rápida de nêutrons, processo conhecido como r-process. Para isso, são necessários ambientes astrofísicos que ofereçam grande quantidade de nêutrons livres, no entanto, esses nêutrons são raros no cosmos, devido à sua curta meia-vida de menos de 15 minutos. Tradicionalmente, causas como fusões de estrelas de nêutrons eram consideradas as principais responsáveis por esse fenômeno. A nova pesquisa liderada por Matthew Mumpower, do Los Alamos National Laboratory, sugere que esses nêutrons podem ser produzidos dinamicamente durante o colapso de uma estrela massiva.

Métodos e resultados

Quando a estrela perde seu combustível nuclear, sua gravidade supera a pressão interna, formando um buraco negro em seu centro. Caso este buraco negro gire rápido o suficiente, um jato poderoso de fótons de alta energia é lançado. Este jato atravessa a estrela, criando um “casulo” quente ao seu redor, onde os fótons interagem com materiais estelares. Segundo o estudo, essa interação promove a transformação de prótons em nêutrons e até a dissolução dos núcleos atômicos em nêutrons livres, acelerando o processo de captura rápida em escalas da ordem do nanossegundo.

Os prótons carregados são retidos pelo campo magnético do jato, enquanto os nêutrons, neutros, são ejetados para o casulo, onde, após um choque relativístico, podem originar isotopos pesados e elementos novos, sendo expelidos ao espaço com a destruição da estrela.

“A criação de elementos pesados como o urânio e plutônio exige condições extremas. Existem poucos cenários viáveis — e raros — no cosmos para que esses elementos se formem, e todos precisam de uma grande quantidade de nêutrons. Propomos um fenômeno novo onde esses nêutrons não preexistem, mas são produzidos dinamicamente na estrela.”
(“The creation of heavy elements such as uranium and plutonium necessitates extreme conditions. There are only a few viable yet rare scenarios in the cosmos where these elements can form, and all such locations need a copious amount of neutrons. We propose a new phenomenon where those neutrons don’t pre-exist but are produced dynamically in the star.”)

— Dr. Matthew Mumpower, físico, Los Alamos National Laboratory

Implicações e próximos passos

Este modelo propõe uma solução para questões complexas de transporte de nêutrons e simulações multipropósito que combinam física atômica, nuclear, hidrodinâmica e relatividade geral. Além disso, auxilia na compreensão da origem da kilonova, o brilho óptico e infravermelho observado comumente associado a explosões de raios gama de longa duração, até então não vinculado diretamente ao colapso estelar.

Apesar dos avanços, os elementos criados pelo processo ainda não foram sintetizados em laboratório, e suas propriedades permanecem pouco conhecidas. A pesquisa abre caminho para novas investigações sobre as propriedades desses isótopos e amplia a compreensão dos mecanismos astrofísicos na nucleossíntese.

“A dissolução da estrela por jatos de fótons de alta energia oferece uma origem alternativa para a produção de elementos pesados e da kilonova que podem gerar, uma possibilidade não considerada anteriormente associada a estrelas em colapso.”
(“Star dissolution via high-energy photon jet offers an alternative origin for the production of heavy elements and the kilonova they may manufacture, a possibility not previously thought to be associated with collapsing stars.”)

— Equipe científica, Los Alamos National Laboratory

Essas descobertas poderão impactar pesquisas futuras nas áreas de astronomia, física nuclear e aplicações de segurança nacional, ao fornecer um novo modelo para a produção de elementos pesados no universo.

Fonte: (sci.news– Ciência & Descobertas)