Pela primeira vez, astrônomos identificaram um elemento químico que foi formado recentemente pela fusão de duas estrelas de nêutrons. O mecanismo subjacente, chamado de processo r - também conhecido como captura rápida de nêutrons - é considerado a origem de grandes quantidades de elementos mais pesados ​​que o ferro.

Essa descoberta lança uma nova luz sobre o mistério dos ambientes em que esse r-processo ocorre. A equipe de astrônomos, também incluindo cientistas da FAIR e GSI, agora demonstrou inequivocamente que a fusão de duas estrelas de nêutrons cria as condições para esse processo e atua como um reator no qual novos elementos são gerados.

A origem de elementos pesados ​​como ouro, chumbo e urânio ainda não foram totalmente esclarecidos. Os elementos mais leves - hidrogênio e hélio - já foram formados em quantidades significativas com o Big Bang. A fusão nuclear nos núcleos das estrelas também é uma fonte bem estabelecida de átomos na faixa de massa do hélio ao ferro.

Para a produção de átomos mais pesados, os cientistas suspeitam de um processo que liga nêutrons livres a blocos de construção já existentes. A variante rápida desse mecanismo é o chamado processo r (r significa rápido) ou captura rápida de nêutrons. Atualmente, pesquisas estão sendo realizadas para determinar quais objetos podem ser locais onde essa reação ocorre. Os possíveis candidatos até agora são um tipo raro de explosões de supernova e a fusão de densos remanescentes estelares como estrelas de nêutrons binárias.

Grandes quantidades de estrôncio se formam em menos de um segundo

Um grupo internacional de astrônomos com participação substancial de Camilla Juul Hansen do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg descobriu agora a assinatura do elemento estrôncio, que foi formado pelo processo r durante uma fusão explosiva de duas estrelas de nêutrons. Com em média 88 núcleons, dos quais 38 são prótons, é mais pesado que o ferro.

A Professora Almudena Arcones e Privatdozent Andreas Bauswein também estiveram envolvidos na publicação na revista científica Nature. Além de suas atividades no departamento de pesquisa em física teórica da FAIR e GSI, eles também são ativos na Universidade Técnica de Darmstadt e na Universidade de Heidelberg, ambas as universidades parceiras da FAIR e GSI. Eles forneceram estimativas valiosas para a publicação. O processo e as características do r-process estão entre as importantes questões de pesquisa a serem investigadas na futura instalação do acelerador FAIR, atualmente em construção em Darmstadt.

A fusão explosiva produziu um escudo de expansão violento movendo-se com 20% a 30% da velocidade da luz. Consiste em matéria recém-formada, dos quais o estrôncio sozinho equivale a cerca de cinco massas terrestres (1 massa terrestre =6 · 1024 kg). Assim, pela primeira vez, os pesquisadores fornecem evidências claras de que tal colisão fornece as condições para o processo-r no qual os elementos pesados ​​se formam. Além do mais, esta é a primeira confirmação empírica de que estrelas de nêutrons consistem em nêutrons.

O processo-r é realmente rápido. Por segundo, mais de 10²² de nêutrons fluem por uma área de um centímetro quadrado. O decaimento beta transforma alguns dos nêutrons acumulados em prótons, emitindo um elétron e um antineutrino cada. O aspecto especial sobre esse mecanismo é que os nêutrons se combinam para formar grandes compostos mais rapidamente do que os conglomerados recém-formados se separam novamente. Desta maneira, até mesmo elementos pesados ​​podem crescer de nêutrons individuais em menos de um segundo.

Estrelas de nêutrons que se fundem produzem ondas gravitacionais

Usando o Very Large Telescope (VLT) do European Southern Observatory (ESO), os cientistas obtiveram espectros após a descoberta espetacular do sinal de onda gravitacional GW170817 em agosto de 2017. Além de uma explosão de raios gama, o kilonova AT2017gfo, um brilho residual na luz visível devido a processos radioativos, que desbotou dentro de alguns dias após um aumento inicial acentuado no brilho, ocorreu no mesmo local. A primeira análise dos espectros em 2017 por outro grupo de pesquisadores não rendeu um resultado claro sobre a composição dos produtos da reação.

Dra. Hansen e seus colegas basearam sua reavaliação na criação de espectros sintéticos e modelagem dos espectros observados, que foram registrados ao longo de quatro dias em intervalos de um dia cada. Os espectros indicam um objeto com uma temperatura inicial de cerca de 3700 K (aprox. 3400 ° C), que desbotou e esfriou nos dias seguintes. Os déficits de brilho em comprimentos de onda de 350 e 850 nm são conspícuos. São como impressões digitais do elemento que absorve luz nessas partes do espectro.

Levando em consideração o deslocamento para o azul dessas linhas de absorção causada pelo efeito Doppler que a expansão após o evento de fusão produz, o grupo de pesquisa calculou os espectros de um grande número de átomos usando três métodos cada vez mais complexos. Uma vez que todos esses métodos produziram resultados consistentes, a conclusão final é robusta. Descobriu-se que apenas o estrôncio gerado pelo processo r é capaz de explicar as posições e a força das características de absorção nos espectros.

Progresso na compreensão da nucleossíntese de elementos pesados

“Os resultados deste trabalho são um passo importante na decifração da nucleossíntese de elementos pesados ​​e suas fontes cósmicas, "Hansen conclui." Isso só foi possível combinando a nova disciplina da astronomia das ondas gravitacionais com a espectroscopia precisa da radiação eletromagnética. Esses novos métodos dão esperança para novas percepções inovadoras sobre a natureza do processo-r. "