Quase 70 anos atrás, o astrônomo Paul Merrill estava observando o céu através de um telescópio no Observatório Mount Wilson em Pasadena, Califórnia. Ao observar a luz proveniente de uma estrela distante, ele viu assinaturas do elemento tecnécio.

Isso foi completamente inesperado. O tecnécio não tem formas estáveis ​​- é o que os físicos chamam de elemento "artificial". Como o próprio Merrill disse com um pouco de eufemismo, "É surpreendente encontrar um elemento instável nas estrelas."

Qualquer tecnécio presente quando a estrela se formou deve ter se transformado em um elemento diferente, como rutênio ou molibdênio, a muito tempo atras. Como um elemento artificial, alguém deve ter criado recentemente o tecnécio que Merrill avistou. Mas quem ou o que poderia ter feito isso nesta estrela?

Em 2 de maio, 1952, Merrill relatou sua descoberta na revista Science. Entre as três interpretações oferecidas por Merrill estava a resposta:Estrelas criam elementos pesados! Merrill não só explicou uma observação intrigante, ele também abriu a porta para entender nossas origens cósmicas. Não são muitas as descobertas científicas que mudam completamente nossa visão do mundo - mas esta sim. A imagem recém-revelada do universo era simplesmente alucinante, e as repercussões dessa descoberta ainda estão impulsionando a pesquisa da ciência nuclear hoje.

De onde vêm os elementos?

No início dos anos 1950, ainda não estava claro como os elementos que compõem o nosso universo, nosso sistema solar, até mesmo nossos corpos humanos, foram criados. Inicialmente, o cenário mais popular era que todos eles foram feitos no Big Bang.

Os primeiros cenários alternativos foram desenvolvidos por cientistas renomados da época, como Hans Bethe (Prêmio Nobel de Física, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Medalha Max-Plank, 1957), e Fred Hoyle (medalha real, 1974). Mas ninguém realmente apresentou uma teoria convincente para a origem dos elementos - até a observação de Paul Merrill.

A descoberta de Merrill marcou o nascimento de um campo completamente novo:a nucleossíntese estelar. É o estudo de como os elementos, ou mais precisamente seus núcleos atômicos, são sintetizados em estrelas. Não demorou muito para os cientistas começarem a tentar descobrir exatamente o que o processo de síntese de elementos nas estrelas envolvia. É aqui que a física nuclear teve que entrar em jogo, para ajudar a explicar a observação surpreendente de Merrill.

Fundindo núcleos no coração de uma estrela

Tijolo por tijolo, elemento por elemento, processos nucleares nas estrelas pegam os átomos de hidrogênio abundantes e constroem elementos mais pesados, do hélio e do carbono até o tecnécio e além.

Quatro proeminentes físicos nucleares (astro) da época trabalharam juntos, e em 1957 publicou a "Síntese dos Elementos nas Estrelas":Margaret Burbidge (Prêmio Mundial de Ciência Albert Einstein, 1988), Geoffrey Burbidge (medalha Bruce, 1999), William Fowler (Prêmio Nobel de Física, 1983), e Fred Hoyle (medalha real, 1974). A publicação, conhecido como B2FH, ainda permanece uma referência para a descrição de processos astrofísicos em estrelas. Al Cameron (Prêmio Hans Bethe, 2006) no mesmo ano chegou independentemente à mesma teoria em seu artigo "Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis".

Aqui está a história que eles montaram.

As estrelas são pesadas. Você pensaria que eles entrariam em colapso por causa de sua própria gravidade - mas não o fazem. O que impede esse colapso são as reações de fusão nuclear que acontecem no centro da estrela.

Dentro de uma estrela existem bilhões e bilhões de átomos. Eles estão dando zoom por toda parte, às vezes colidindo uns com os outros. Inicialmente, a estrela está muito fria, e quando os núcleos dos átomos colidem, eles simplesmente ricocheteiam uns nos outros. À medida que a estrela se comprime por causa de sua gravidade, no entanto, a temperatura em seu centro aumenta. Em tais condições de calor, agora, quando os núcleos se chocam, eles têm energia suficiente para se fundir. Isso é o que os físicos chamam de reação de fusão nuclear.

Essas reações nucleares têm dois propósitos.

Primeiro, eles liberam energia que aquece a estrela, fornecendo a pressão externa que impede seu colapso gravitacional e mantém a estrela em equilíbrio por bilhões de anos. Segundo, eles fundem elementos leves em outros mais pesados. E lentamente, começando com hidrogênio e hélio, estrelas farão o tecnécio que Merrill observou, o cálcio em nossos ossos e o ouro em nossas joias.

Muitas reações nucleares diferentes são responsáveis ​​por fazer tudo isso acontecer. E são extremamente difíceis de estudar em laboratório porque os núcleos são difíceis de fundir. É por isso, por mais de seis décadas, os físicos nucleares continuaram a trabalhar para controlar as reações nucleares que impulsionam as estrelas.

Astrofísicos ainda desvendando as origens dos elementos

Hoje, existem muitas outras maneiras de observar as assinaturas da criação de elementos em todo o universo.

Estrelas muito velhas registram a composição do universo no tempo de sua formação. À medida que mais e mais estrelas de várias idades são encontradas, suas composições começam a contar a história da síntese de elementos em nossa galáxia, desde sua formação logo após o Big Bang até hoje.

E quanto mais pesquisadores aprendem, mais complexa fica a imagem. Na última década, as observações forneceram evidências para uma gama muito mais ampla de processos de criação de elementos do que o previsto. Para alguns desses processos, nem sabemos ainda em que tipo de estrelas ou explosões estelares ocorrem. Mas os astrofísicos pensam que todos esses eventos estelares contribuíram com sua mistura característica de elementos para a nuvem de poeira rodopiante que acabou se tornando nosso sistema solar.

O exemplo mais recente vem de um evento de fusão de estrelas de nêutrons rastreado por observatórios gravitacionais e eletromagnéticos em todo o mundo. Esta observação demonstra que mesmo a fusão de estrelas de nêutrons dá uma grande contribuição para a produção de elementos pesados ​​no universo - neste caso, os chamados Lantanídeos que incluem elementos como Térbio, Neodínio e o disprósio usados ​​em telefones celulares. E assim como na época da descoberta de Merrill, cientistas nucleares em todo o mundo estão lutando, trabalhando horas extras em seus aceleradores, para descobrir quais reações nucleares poderiam explicar todas essas novas observações.

Descobertas que mudam nossa visão de mundo não acontecem todos os dias. Mas quando eles fazem, eles podem fornecer mais perguntas do que respostas. É preciso muito trabalho adicional para encontrar todas as peças do novo quebra-cabeça científico, junte-os passo a passo e, finalmente, chegue a um novo entendimento. As observações astronômicas avançadas com telescópios modernos continuam a revelar cada vez mais segredos escondidos em estrelas distantes. Instalações aceleradoras de última geração estudam as reações nucleares que criam elementos nas estrelas. E modelos de computador sofisticados juntam tudo, tentando recriar as partes do universo que vemos, enquanto alcança aqueles que ainda estão escondidos até a próxima grande descoberta.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.