Quase todo o oxigênio em nosso universo é forjado na barriga de estrelas massivas como o nosso sol. À medida que essas estrelas se contraem e queimam, eles desencadeiam reações termonucleares dentro de seus núcleos, onde núcleos de carbono e hélio podem colidir e se fundir em uma reação nuclear rara, embora essencial, que gera grande parte do oxigênio do universo.

A taxa dessa reação geradora de oxigênio tem sido incrivelmente difícil de determinar. Mas se os pesquisadores puderem obter uma estimativa boa o suficiente do que é conhecido como "taxa de reação de captura radiativa, "eles podem começar a encontrar as respostas para questões fundamentais, como a proporção de carbono para oxigênio no universo. Uma taxa precisa também pode ajudá-los a determinar se uma estrela em explosão se estabelecerá na forma de um buraco negro ou de uma estrela de nêutrons.

Agora, os físicos do Laboratório de Ciência Nuclear do MIT (LNS) criaram um projeto experimental que pode ajudar a definir a taxa dessa reação geradora de oxigênio. A abordagem requer um tipo de acelerador de partículas que ainda está em construção, em vários locais ao redor do mundo. Uma vez instalado e funcionando, tais aceleradores lineares "multimegawatt" podem fornecer apenas as condições certas para executar a reação de geração de oxgen ao contrário, como se estivesse voltando o relógio da formação de estrelas.

Os pesquisadores dizem que tal "reação inversa" deve dar-lhes uma estimativa da taxa de reação que realmente ocorre nas estrelas, com maior precisão do que a obtida anteriormente.

"A descrição do trabalho de um físico é entender o mundo, e neste momento, não entendemos muito bem de onde vem o oxigênio do universo, e, como o oxigênio e o carbono são feitos, "diz Richard Milner, professor de física no MIT. "Se estivermos certos, esta medição nos ajudará a responder algumas dessas questões importantes na física nuclear sobre a origem dos elementos. "

Milner é co-autor de um artigo publicado hoje na revista Physical Review C, juntamente com o autor principal e pós-doutorando do MIT-LNS, Ivica Friščić, e o cientista sênior de pesquisa do MIT Center for Theoretical Physics, T. William Donnelly.

Uma queda vertiginosa

A taxa de reação de captura radiativa refere-se à reação entre um núcleo de carbono-12 e um núcleo de hélio, também conhecida como partícula alfa, que ocorre dentro de uma estrela. Quando esses dois núcleos colidem, o núcleo de carbono efetivamente "captura" a partícula alfa, e no processo, é excitado e irradia energia na forma de um fóton. O que é deixado para trás é um núcleo de oxigênio-16, que finalmente decai em uma forma estável de oxigênio que existe em nossa atmosfera.

Mas as chances de essa reação ocorrer naturalmente em uma estrela são incrivelmente pequenas, devido ao fato de que uma partícula alfa e um núcleo de carbono-12 são altamente carregados positivamente. Se eles entrarem em contato próximo, eles são naturalmente inclinados a repelir, no que é conhecido como uma força de Coulomb. Para se fundir para formar oxigênio, o par teria que colidir com energias suficientemente altas para superar a força de Coulomb - uma ocorrência rara. Essa taxa de reação excessivamente baixa seria impossível de detectar nos níveis de energia que existem dentro das estrelas.

Nas últimas cinco décadas, os cientistas tentaram simular a taxa de reação de captura radiativa, em aceleradores de partículas pequenos, mas poderosos. Eles fazem isso colidindo feixes de hélio e carbono na esperança de fundir núcleos de ambos os feixes para produzir oxigênio. Eles foram capazes de medir tais reações e calcular as taxas de reação associadas. Contudo, as energias nas quais esses aceleradores colidem com as partículas são muito maiores do que ocorre em uma estrela, Tanto é assim que as estimativas atuais da taxa de reação geradora de oxigênio são difíceis de extrapolar para o que realmente ocorre dentro das estrelas.

"Esta reação é bastante conhecida em altas energias, mas cai vertiginosamente à medida que você diminui a energia, em direção à interessante região astrofísica, "Friščić diz.

Tempo, ao contrário

No novo estudo, a equipe decidiu ressuscitar uma noção anterior, para produzir o inverso da reação de geração de oxigênio. O objetivo, essencialmente, é começar a partir do gás oxigênio e dividir seu núcleo em seus ingredientes iniciais:uma partícula alfa e um núcleo de carbono-12. A equipe concluiu que a probabilidade de a reação acontecer ao contrário deveria ser maior, e, portanto, mais facilmente medido, do que a mesma reação. A reação inversa também deve ser possível em energias mais próximas da faixa de energia dentro de estrelas reais.

Para dividir o oxigênio, eles precisariam de um feixe de alta intensidade, com uma concentração superelevada de elétrons. (Quanto mais elétrons bombardeiam uma nuvem de átomos de oxigênio, maior a chance de que um elétron entre bilhões tenha a energia e o momento certos para colidir e dividir um núcleo de oxigênio.)

A ideia se originou com a pesquisadora do MIT Genya Tsentalovich, que liderou um experimento proposto no anel de armazenamento de elétrons do MIT-Bates South Hall em 2000. Embora o experimento nunca tenha sido realizado no acelerador Bates, que encerrou a operação em 2005, Donnelly e Milner acharam que a ideia merecia ser estudada em detalhes. Com o início da construção de aceleradores lineares de próxima geração na Alemanha e na Universidade Cornell, tendo a capacidade de produzir feixes de elétrons de intensidade alta o suficiente, ou atual, para potencialmente desencadear a reação inversa, e a chegada de Friščić ao MIT em 2016, o estudo começou.

"A possibilidade desses novos, máquinas de elétrons de alta intensidade, com dezenas de miliamperes de corrente, despertou nosso interesse por essa ideia [reação inversa], "Milner diz.

A equipe propôs um experimento para produzir a reação inversa, disparando um feixe de elétrons em um frio, nuvem ultradensa de oxigênio. Se um elétron colidiu com sucesso e dividiu um átomo de oxigênio, deve se espalhar com uma certa quantidade de energia, que os físicos previram anteriormente. Os pesquisadores isolariam as colisões envolvendo elétrons dentro desta faixa de energia, e destes, eles isolariam as partículas alfa produzidas na sequência.

Partículas alfa são produzidas quando os átomos O-16 se dividem. A divisão de outros isótopos de oxigênio também pode resultar em partículas alfa, mas eles se dispersariam um pouco mais rápido - cerca de 10 nanossegundos mais rápido - do que as partículas alfa produzidas a partir da divisão de átomos O-16. Então, a equipe raciocinou que isolaria as partículas alfa que eram um pouco mais lentas, com um "tempo de vôo" ligeiramente mais curto.

Os pesquisadores poderiam então calcular a taxa da reação inversa, dada a frequência com que as partículas alfa mais lentas - e por procuração, a divisão dos átomos O-16 - ocorreu. Eles então desenvolveram um modelo para relacionar a reação inversa à direta, reação direta da produção de oxigênio que ocorre naturalmente nas estrelas.

"Estamos essencialmente fazendo a reação reversa do tempo, "Milner diz." Se você medir isso com a precisão de que estamos falando, você deve ser capaz de extrair diretamente a taxa de reação, por fatores de até 20 além do que qualquer um fez nesta região. "

Atualmente, um acelerador linear multimegawatt, MESA, está em construção na Alemanha. Friščić e Milner estão colaborando com os físicos para projetar o experimento, na esperança de que, uma vez instalado e funcionando, eles podem colocar seu experimento em ação para realmente determinar a taxa em que as estrelas liberam oxigênio para o universo.

"Se estivermos certos, e fazemos essa medição, nos permitirá responder quanto carbono e oxigênio são formados nas estrelas, que é a maior incerteza que temos em nossa compreensão de como as estrelas evoluem, "Milner diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.