Os astrônomos descobriram o estrôncio após uma colisão entre duas estrelas de nêutrons. É a primeira vez que um elemento pesado é identificado em um kilonova, o resultado explosivo desses tipos de colisões. A descoberta abre um buraco na nossa compreensão de como os elementos pesados se formam.
Em 2017, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) e o Observatório Europeu VIRGO detectaram ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons. O evento de fusão foi nomeado GW170817 e estava a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância na galáxia NGC 4993.
O kilonova resultante é chamado AT2017gfo, e o European Southern Observatory (ESO) apontou vários de seus telescópios para observá-lo em diferentes comprimentos de onda. Em particular, eles apontaram o Very Large Telescope (VLT) e seu instrumento X-shooter para o kilonova.
O X-shooter é um espectrógrafo de vários comprimentos de onda que observa na luz visível Ultravioleta B (UVB) e no Infravermelho Próximo (NIR). Inicialmente, os dados do X-shooter sugeriram que havia elementos mais pesados presentes no kilonova. Mas até agora, eles não conseguiam identificar elementos individuais.
"Este é o estágio final de uma busca de décadas para determinar a origem dos elementos."
Darach Watson, Autor Principal, Universidade de Copenhague.
Esses novos resultados são apresentados em um novo estudo intitulado "Identificação do estrôncio na fusão de duas estrelas de nêutrons". O principal autor é Darach Watson, da Universidade de Copenhague, na Dinamarca. O artigo foi publicado na revista Natureza em 24 de outubro de 2019.
"Reanalisando os dados de 2017 da fusão, identificamos a assinatura de um elemento pesado nesta bola de fogo, o estrôncio, provando que a colisão de estrelas de nêutrons cria esse elemento no Universo", disse Watson em um comunicado à imprensa.
O forjamento dos elementos químicos é chamado de nucleossíntese. Os cientistas sabem disso há décadas. Sabemos que os elementos se formam nas supernovas, nas camadas externas das estrelas envelhecidas e nas estrelas regulares. Mas houve uma lacuna em nosso entendimento quando se trata de captura de nêutrons e como elementos mais pesados são formados. Segundo Watson, essa descoberta preenche essa lacuna.
"Este é o estágio final de uma busca de décadas para determinar a origem dos elementos", diz Watson. “Sabemos agora que os processos que criaram os elementos ocorreram principalmente em estrelas comuns, em explosões de supernovas ou nas camadas externas de estrelas antigas. Mas, até agora, não sabíamos a localização do processo final, ainda não descoberto, conhecido como captura rápida de nêutrons, que criou os elementos mais pesados da tabela periódica. ”
Existem dois tipos de captura de nêutrons: rápida e lenta. Cada tipo de captura de nêutrons é responsável pela criação de cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro. A captura rápida de nêutrons permite que um núcleo atômico capture nêutrons mais rapidamente do que pode decair, criando elementos pesados. O processo foi elaborado décadas atrás, e evidências circunstanciais apontaram as kilonova como o local provável para o processo rápido de captura de nêutrons. Mas isso nunca foi observado em um local astrofísico, até agora.
As estrelas são quentes o suficiente para produzir muitos dos elementos. Mas apenas os ambientes quentes mais extremos podem criar elementos mais pesados como o estrôncio. Somente esses ambientes, como este kilonova, têm nêutrons livres suficientes ao redor. Em um kilonova, os átomos são constantemente bombardeados por um grande número de nêutrons, permitindo que o rápido processo de captura de nêutrons crie os elementos mais pesados.
“É a primeira vez que podemos associar diretamente o material recém-criado, formado por captura de nêutrons, com uma fusão de nêutrons, confirmando que as estrelas são feitas de nêutrons e vinculando o processo de captura rápida de nêutrons há muito debatido a essas fusões”, diz Camilla Juul Hansen, do Instituto Max Planck de Astronomia, em Heidelberg, que desempenhou um papel importante no estudo.
Embora os dados do X-shooter existam há alguns anos, os astrônomos não estavam certos de que estavam vendo estrôncio no kilonova. Eles pensaram que estavam vendo, mas não podiam ter certeza imediatamente. Nosso entendimento das fusões de quilonova e estrela de nêutrons está longe de estar completo. Existem complexidades nos espectros X-shooter do kilonova que precisaram ser trabalhadas, especificamente quando se trata de identificar os espectros de elementos mais pesados.
“Na verdade, tivemos a ideia de que poderíamos ver estrôncio muito rapidamente após o evento. No entanto, mostrar que esse era comprovadamente o caso acabou sendo muito difícil. Essa dificuldade ocorreu devido ao nosso conhecimento altamente incompleto da aparência espectral dos elementos mais pesados na tabela periódica ”, diz o pesquisador da Universidade de Copenhague Jonatan Selsing, que foi o principal autor do artigo.
Até agora, a captura rápida de nêutrons era muito debatida, mas nunca observada. Este trabalho preenche um dos buracos na nossa compreensão da nucleossíntese. Mas vai além disso. Confirma a natureza das estrelas de nêutrons.
Depois que o nêutron foi descoberto por James Chadwick em 1932, os cientistas propuseram a existência da estrela de nêutrons. Em um artigo de 1934, os astrônomos Fritz Zwicky e Walter Baade avançaram a visão de que “uma super-nova representa a transição de uma estrela comum para umaEstrêla de Neutróns, consistindo principalmente de nêutrons. Uma estrela assim pode possuir um raio muito pequeno e uma densidade extremamente alta. ”
Três décadas depois, estrelas de nêutrons foram ligadas e identificadas com pulsares. Mas não havia como provar que as estrelas de nêutrons eram feitas de nêutrons, porque os astrônomos não podiam obter confirmação espectroscópica.
Mas essa descoberta, ao identificar o estrôncio, que só poderia ser sintetizado sob um fluxo extremo de nêutrons, prova que as estrelas de nêutrons são realmente feitas de nêutrons. Como os autores dizem em seu artigo, "a identificação aqui de um elemento que só poderia ser sintetizado tão rapidamente sob um fluxo extremo de nêutrons fornece a primeira evidência espectroscópica direta de que estrelas de nêutrons compreendem matéria rica em nêutrons".
Este é um trabalho importante. A descoberta abriu dois buracos na nossa compreensão da origem dos elementos. Confirma observacionalmente o que os cientistas sabiam teoricamente. E isso é sempre bom.
Mais:
- Press Release: Primeira identificação de um elemento pesado nascido da colisão de estrelas de nêutrons
- Artigo: Identificação do estrôncio na fusão de duas estrelas de nêutrons
- Wikipedia: Captura de nêutrons
- Artigo de 1934: Raios Cósmicos de Super-Novae
