Como os elementos químicos são produzidos em nosso Universo? De onde vêm os elementos pesados ​​como ouro e urânio? Usando simulações de computador, uma equipe de pesquisa do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung em Darmstadt, juntamente com colegas da Bélgica e do Japão, mostra que a síntese de elementos pesados ​​é típica para certos buracos negros com acumulações de matéria em órbita, os chamados discos de acreção. A abundância prevista dos elementos formados fornece informações sobre quais elementos pesados ​​precisam ser estudados em futuros laboratórios - como o Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), que está atualmente em construção - para desvendar a origem dos elementos pesados. Os resultados são publicados na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Todos os elementos pesados ​​na Terra hoje foram formados sob condições extremas em ambientes astrofísicos:dentro de estrelas, em explosões estelares e durante a colisão de estrelas de nêutrons. Os pesquisadores estão intrigados com a questão em qual desses eventos astrofísicos existem as condições adequadas para a formação dos elementos mais pesados, como ouro ou urânio. A primeira observação espetacular de ondas gravitacionais e radiação eletromagnética originada de uma fusão de estrelas de nêutrons em 2017 sugeriu que muitos elementos pesados ​​podem ser produzidos e liberados nessas colisões cósmicas. No entanto, permanece em aberto a questão de quando e por que o material é ejetado e se pode haver outros cenários nos quais elementos pesados ​​​​podem ser produzidos.

Candidatos promissores para a produção de elementos pesados ​​são os buracos negros orbitados por um disco de acreção de matéria densa e quente. Tal sistema é formado tanto após a fusão de duas estrelas de nêutrons massivas quanto durante o chamado colapso, o colapso e a subsequente explosão de uma estrela em rotação. A composição interna de tais discos de acreção até agora não foi bem compreendida, particularmente no que diz respeito às condições sob as quais se forma um excesso de nêutrons. Um número elevado de nêutrons é um requisito básico para a síntese de elementos pesados, pois permite o rápido processo de captura de nêutrons ou processo r. Os neutrinos quase sem massa desempenham um papel fundamental nesse processo, pois permitem a conversão entre prótons e nêutrons.

"Em nosso estudo, investigamos sistematicamente pela primeira vez as taxas de conversão de nêutrons e prótons para um grande número de configurações de disco por meio de elaboradas simulações de computador, e descobrimos que os discos são muito ricos em nêutrons, desde que certas condições sejam conheceu", explica o Dr. Oliver Just, do grupo de Astrofísica Relativística da divisão de pesquisa Theory da GSI. "O fator decisivo é a massa total do disco. Quanto mais massivo o disco, mais frequentemente os nêutrons são formados a partir de prótons através da captura de elétrons sob emissão de neutrinos, e estão disponíveis para a síntese de elementos pesados ​​por meio do r- No entanto, se a massa do disco for muito alta, a reação inversa desempenha um papel maior, de modo que mais neutrinos são recapturados por nêutrons antes de deixarem o disco. Esses nêutrons são então convertidos novamente em prótons, o que dificulta o processo-r ." Como o estudo mostra, a massa ideal do disco para a produção prolífica de elementos pesados ​​é de cerca de 0,01 a 0,1 massas solares. O resultado fornece fortes evidências de que fusões de estrelas de nêutrons produzindo discos de acreção com essas massas exatas podem ser o ponto de origem de uma grande fração dos elementos pesados. No entanto, se e com que frequência esses discos de acreção ocorrem em sistemas colapsar não está claro.

Além dos possíveis processos de ejeção de massa, o grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Andreas Bauswein também está investigando os sinais de luz gerados pela matéria ejetada, que serão utilizados para inferir a massa e composição da matéria ejetada em futuras observações de colisões estrelas de nêutrons. Um importante bloco de construção para a leitura correta desses sinais de luz é o conhecimento preciso das massas e outras propriedades dos elementos recém-formados. "Esses dados são atualmente insuficientes. Mas com a próxima geração de aceleradores, como o FAIR, será possível medi-los com precisão sem precedentes no futuro. A interação bem coordenada de modelos teóricos, experimentos e observações astronômicas nos permitirá researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.