Ao criar cinco novos isótopos, uma equipa de investigação internacional que trabalha no Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) da Michigan State University aproximou as estrelas da Terra.



Os isótopos - conhecidos como túlio-182, túlio-183, itérbio-186, itérbio-187 e lutécio-190 - são relatados na revista Physical Review Letters.

Estes representam o primeiro lote de novos isótopos fabricados no FRIB, uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, ou DOE-SC, apoiando a missão do Escritório de Física Nuclear do DOE-SC. Os novos isótopos mostram que o FRIB está se aproximando da criação de espécimes nucleares que atualmente só existem quando corpos celestes ultradensos conhecidos como estrelas de nêutrons colidem uns com os outros.

“Essa é a parte emocionante”, disse Alexandra Gade, professora de física na FRIB e no Departamento de Física e Astronomia da MSU e diretora científica da FRIB. "Estamos confiantes de que podemos chegar ainda mais perto dos núcleos que são importantes para a astrofísica."

Gade também é co-porta-voz do projeto, liderado por Oleg Tarasov, físico pesquisador sênior do FRIB.

A equipe de pesquisa incluiu uma coorte baseada na FRIB e na MSU, juntamente com colaboradores do Instituto de Ciências Básicas da Coreia do Sul e do RIKEN no Japão, sigla que significa Instituto de Pesquisa Física e Química.

“Esta é provavelmente a primeira vez que estes isótopos existem na superfície da Terra”, disse Bradley Sherrill, distinto professor universitário na Faculdade de Ciências Naturais da MSU e chefe do departamento de Separador Avançado de Isótopos Raros da FRIB.

Para uma explicação sobre o que significa “avançado” neste contexto, Sherrill disse que os investigadores precisavam apenas de algumas partículas individuais de um novo isótopo para confirmar a sua existência e identidade usando os instrumentos de última geração do FRIB.

Agora que os investigadores sabem como produzir estes novos isótopos, podem começar a produzi-los em maiores quantidades para realizar experiências que nunca foram possíveis antes. Os pesquisadores também estão ansiosos para seguir o caminho que traçaram para produzir mais isótopos novos que sejam ainda mais parecidos com os encontrados nas estrelas.

“Gosto de fazer a analogia de fazer uma viagem. Estávamos ansiosos para ir a algum lugar onde nunca estivemos antes e este é o primeiro passo”, disse Sherrill. "Saímos de casa e estamos começando a explorar."

Quase coisa de estrela

Nosso sol é uma fábrica atômica cósmica. É poderoso o suficiente para pegar os núcleos de dois átomos de hidrogênio, ou núcleos, e fundi-los em um núcleo de hélio.

Hidrogênio e hélio são as primeiras e mais leves entradas na tabela periódica dos elementos. Chegar aos elementos mais pesados ​​da mesa requer ambientes ainda mais intensos do que os encontrados ao sol.

Os cientistas levantam a hipótese de que elementos como o ouro – cerca de 200 vezes mais massivo que o hidrogénio – são criados quando duas estrelas de neutrões se fundem.

Estrelas de nêutrons são núcleos remanescentes de estrelas que explodiram que eram originalmente muito maiores que o nosso Sol, mas não tão maiores a ponto de se tornarem buracos negros em seus atos finais. Embora não sejam buracos negros, as estrelas de nêutrons ainda comprimem uma imensa quantidade de massa em um tamanho muito modesto.

“Eles são aproximadamente do tamanho de Lansing com a massa do nosso Sol”, disse Sherrill. “Não é certo, mas as pessoas pensam que todo o ouro da Terra foi produzido em colisões de estrelas de nêutrons.”

Ao produzir isótopos que estão presentes no local de uma colisão de estrelas de nêutrons, os cientistas poderiam explorar e compreender melhor os processos envolvidos na produção desses elementos pesados.

Os cinco novos isótopos não fazem parte desse meio, mas são o mais próximo que os cientistas chegaram de alcançar esse território especial – e as perspectivas de finalmente alcançá-lo são muito boas.

Para criar os novos isótopos, a equipe enviou um feixe de íons de platina em direção a um alvo de carbono. A corrente do feixe dividida pelo estado de carga foi de 50 nanoampères. Desde que esses experimentos foram realizados, o FRIB já aumentou sua potência de feixe para 350 nanoampères e tem planos de atingir até 15.000 nanoampères.

Entretanto, os novos isótopos são entusiasmantes por si só, apresentando à comunidade de investigação nuclear novas oportunidades para entrar no desconhecido.

“Não é uma grande surpresa que estes isótopos existam, mas agora que os temos, temos colegas que estarão muito interessados ​​no que podemos medir a seguir”, disse Gade. “Já estou começando a pensar no que podemos fazer a seguir em termos de medir suas meias-vidas, suas massas e outras propriedades”.

A investigação destas quantidades em isótopos que nunca estiveram disponíveis antes ajudará a informar e a refinar a nossa compreensão da ciência nuclear fundamental.

“Há muito mais para aprender”, disse Sherrill. "E estamos a caminho."

Mais informações: O. B. Tarasov et al, Observação de novos isótopos na fragmentação de Pt198 em FRIB, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.072501
Fornecido pela Michigan State University