Um artigo publicado na Nature Astronomy neste mês chamou muito minha atenção. Pesquisadores mediram quantos átomos de Ferro-60, Cúrio-247 e Plutônio-244 havia em rochas da crosta de ferro-manganês no fundo do oceano Pacífico. Os valores permitiram dizer que entre 100 milhões e 1 bilhão de anos atrás houve um evento que dispersou estes átomos pelo espaço. Também foi possível afirmar que há pelo menos 10 milhões de anos a Terra vem passando por esta nuvem. Os elementos entram na atmosfera, dissolvem-se no mar e acabam sedimentando no fundo, formando parte das rochas.
O trabalho fica ainda mais interessante quando os autores descrevem que estas medidas ajudam a resolver um antigo enigma da Astrofísica: onde os elementos pesados são forjados? Desde a metade do século passado está claro que o Big Bang forjou praticamente apenas Hidrogênio e Hélio. Logo em seguida os astrofísicos descobriram que elementos até o Ferro são criados no interior das estrelas, por processos de fusão nuclear. No entanto, fundir elementos para além deste limite consome energia. Assim, a natureza os fabrica em outro lugar, e por outro processo.
O caminho foi explicado no famoso artigo B²FH de 1957. O casal Burbidge, com Fowler e Hoyle, mostraram que quando átomos pesados absorvem nêutrons no núcleo, o equilíbrio energético é diminuído e o núcleo decai por um processo beta, emitindo um elétron e transformando o nêutron em próton. Assim, aumenta-se o número atômico. Se os nêutrons são capturados lentamente, gera-se uma cadeia de reação que termina no Bismuto. Se há muitos nêutrons no ambiente, a captura é rápida e podem ser gerados outros elementos, como Ouro e até os mais pesados, como Urânio.
Em geral se diz que elementos pesados são forjados em supernovas. Mas isso é pouco preciso. Supernovas comuns não oferecem ambientes com nêutrons suficientes para a captura rápida. Já em 1974, Lattimer & Schramm mostraram que fusões de objetos compactos deviam ser a resposta.
Em 2017 detectamos as ondas gravitacionais de uma fusão assim. Alguns dias depois da fusão é emitida grande quantidade de luz, numa explosão chamada de Kilonova. Watson e colaboradores analisaram o espectro desta emissão em 2019 e encontraram Estrôncio, provando que as fusões de estrelas de nêutrons são fontes de elementos gerados pela captura rápida de nêutrons.
No entanto, ainda não estava claro se este era o único mecanismo. O artigo da semana passada trouxe luzes porque o Ferro-60 é gerado em estrelas massivas e ejetado por supernovas. A datação mostrou que foi depositado em dois picos, 2-3 e 7 milhões de anos atrás. Já o Plutônio-244 foi depositado continuamente, e gerado bem antes. No entanto, ainda é possível que supernovas raras e extremas possam gerar parte dos núcleos pesados por processos de captura rápida.
O mais interessante deste debate é que técnicas muito distintas trabalham juntas para resolver um quebra cabeças de Astrofísica Nuclear. As respostas científicas se formam em camadas, assim como as rochas no fundo oceânico! E no fim, o mistério nos ajuda a conhecer melhor coisas do nosso dia a dia, como o ouro das nossas alianças.
Prof. Alexandre Zabot
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Referências
Burbidge, E. M., Burbidge, G. R., Fowler, W. A. & Hoyle, F. (1957). Synthesis of the Elements in Stars. Reviews of Modern Physics, 29, 547 (B²FH). ADS
Watson, D. et al. (2019). Identification of strontium in the merger of two neutron stars. Nature, 574, 497. ADS
Koll, D., Fichter, S., Hotchkis, M. A. C., …, Wallner, A. (2026). The timing of the last r-process event near Earth from interstellar 60Fe, 244Pu and 247Cm deposition on Earth. Nature Astronomy. DOI