Os cientistas relataram grandes progressos experimentais na compreensão de como alguns dos elementos mais raros do universo se formam. Esses átomos incomuns, conhecidos como núcleos p, são isótopos ricos em prótons, mais pesados que o ferro, que há muito intrigam os pesquisadores.
Um novo estudo liderado por Artemis Tsantira, que liderou o trabalho como estudante de pós-graduação no Instituto de Feixes de Isótopos Raros (FRIB) e agora é pós-doutorado na Universidade de Regina, no Canadá, atingiu um marco importante. Pela primeira vez, os investigadores mediram diretamente como o arsénico-73 captura um protão para formar selénio-74 utilizando um feixe de isótopos raros. Este resultado coloca novas restrições sobre como o núcleo p mais leve é criado e destruído no espaço.
As descobertas foram publicadas em Revisão de planilhas físicas (Limite à síntese do núcleo 𝑝 mais leve 74Se”) e atraiu mais de 45 cientistas de 20 instituições dos EUA, Canadá e Europa.
Por que alguns elementos permanecem um mistério
Um objetivo principal da astrofísica nuclear é entender de onde vêm os elementos. Muitos elementos mais pesados que o ferro são formados através de processos lentos e rápidos de captura de nêutrons. Nessas reações, os núcleos atômicos absorvem repetidamente nêutrons e depois sofrem decaimento radioativo até atingirem formas estáveis.
No entanto, esta explicação não se aplica a um grupo especial de isótopos ricos em prótons. Esses núcleos p não podem ser produzidos por captura de nêutrons. Eles variam do selênio-74, o mais leve, ao mercúrio-196, o mais pesado, e suas origens permaneceram obscuras durante décadas.
Explosões de supernovas e o processo gama
Uma das principais explicações para a criação de núcleos p é o processo gama que ocorre em certos tipos de explosões de supernovas. Nestas condições extremas, o calor intenso cria raios gama que retiram neutrões e outras partículas dos núcleos pesados existentes.
Após este processo, os núcleos restantes contêm mais prótons do que nêutrons. Com o tempo, alguns desses núcleos convertem prótons em nêutrons, movendo-se em direção a um equilíbrio mais estável e eventualmente formando núcleos-p.
Muitos dos isótopos envolvidos neste processo têm vida curta e são difíceis de produzir em laboratório. Por causa disso, os cientistas tiveram que confiar fortemente em modelos teóricos, em vez de medições diretas.
“Embora a origem dos núcleos-p tenha sido objeto de estudo há mais de 60 anos, as medições de importantes reações isotópicas de curta duração são quase inexistentes”, disse Tsantiri. “Experiências como esta agora só são possíveis com instalações como o FRIB.”
Reproduzindo a reação estelar em laboratório
Neste estudo, os pesquisadores recriaram com sucesso uma etapa fundamental do processo, observando pela primeira vez a captura de prótons no arsênico-73 radioativo. Para fazer isso, eles geraram um feixe de arsênico-73 especificamente para o experimento e o direcionaram para uma câmara cheia de gás hidrogênio. O hidrogênio serviu como fonte de prótons e foi colocado no centro do detector Summing Nal (SuN).
A equipe produziu arsênico-73 usando o acelerador ReA do FRIB, que eles usaram em uma configuração autônoma, em vez de depender do acelerador linear principal. O grupo de radioquímica liderado por Ekaterina Domnanich preparou o material em forma adequada para uso no experimento. O isótopo foi então colocado em uma fonte de íons em modo burst, onde foi ionizado, acelerado a altas energias e entregue ao alvo. Esta configuração demonstrou a flexibilidade do ReA para a produção e estudo de isótopos raros.
Rastreando como o selênio-74 é formado e destruído
Durante a reação, o arsênico-73 absorve um próton e se transforma em selênio-74 no estado excitado. Em seguida, emite raios gama para atingir um estado estacionário. Os investigadores concentraram-se no feedback porque desempenha um papel fundamental no processo de raios gama no interior das estrelas. Medindo a reação direta, eles poderiam determinar a rapidez com que ocorre o processo inverso.
Para compreender a quantidade de selénio-74 existente no sistema solar, os cientistas devem explicar tanto a sua criação como a sua destruição. Uma das maiores incertezas restantes era a frequência com que o selênio-74 é decomposto pelos raios gama durante explosões estelares.
Modelos aprimorados, mas novas questões permanecem
Quando os investigadores incorporaram as suas medições em modelos astrofísicos, reduziram para metade a incerteza na abundância prevista de selénio-74. Isto representa uma melhoria significativa na compreensão de como este isótopo é formado.
Apesar disso, os modelos atualizados ainda não correspondem integralmente ao que se observa na natureza. Esta lacuna sugere que os cientistas podem precisar de refinar as suas suposições sobre as condições dentro das explosões de supernovas.
“Estes resultados aproximam-nos da compreensão da origem de alguns dos isótopos mais raros do Universo”, disse Artemis Spirou, professor de física na FRIB e no Departamento de Física e Astronomia da Michigan State University, conselheiro científico de Tsantiri e arquitecto original da experiência. “O trabalho de Tsantiri é um bom exemplo da colaboração interdisciplinar necessária para o avanço na área, bem como do tipo de oportunidades de desenvolvimento profissional para pesquisadores em início de carreira no FRIB.”
Cooperação e apoio
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Física Nuclear; Fundação Nacional de Ciência dos EUA; Administração Nacional de Segurança Nuclear dos EUA; e o Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá.
O(s) isótopo(s) utilizado(s) neste estudo foram fornecidos pelo Programa de Isótopos do Departamento de Energia dos EUA, gerenciado pelo Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento e Produção de Isótopos.
