60 anos de estrelas

A luz do Sol é devido à fusão nuclear, que converte principalmente hidrogênio em hélio. No entanto, as estrelas podem passar por outros processos, criando elementos muito mais pesados ​​do que isso. Crédito da imagem: NASA/SDO.

Como a humanidade descobriu de onde vêm nossos elementos.


Este artigo foi escrito pelo físico Paul Halpern, da Universidade de Ciências da Pensilvânia. Paulo é autor do novo livro O Labirinto Quântico : Como Richard Feynman e John Wheeler revolucionaram o tempo e a realidade.



Você não poderia estar aqui se as estrelas não tivessem explodido, porque os elementos – carbono, nitrogênio, oxigênio, ferro, todas as coisas que importam para a evolução e para a vida – não foram criados no início dos tempos. Eles foram criados nas fornalhas nucleares das estrelas, e a única maneira de eles entrarem em seu corpo é se essas estrelas fossem gentis o suficiente para explodir… – Lawrence Krauss



Na ciência, você não precisa acertar tudo para acertar as coisas mais incríveis. Às vezes, boas ideias surgem de um paradigma fracassado. Um excelente exemplo de ambos é o artigo inovador de nucleossíntese estelar (criação de núcleos complexos a partir de núcleos mais simples), publicado em 1957, conhecido simplesmente como B2FH, após as iniciais dos quatro autores. Pela primeira vez, ofereceu um modelo bem-sucedido de formação de elementos. Ele foi projetado para evitar a necessidade de um Big Bang e para apoiar uma explicação alternativa chamada teoria do estado estacionário. Hoje, enquanto a teoria do estado estacionário é uma relíquia do passado, a nucleossíntese estelar complementa a teoria do Big Bang em uma explicação bem-sucedida e abrangente de como todos os elementos do universo foram construídos a partir de partículas elementares.

É um fato curioso da história que a primeira vez que um astrônomo usou o termo Big Bang para descrever os estágios iniciais do Universo, ele quis dizer ironicamente. O pesquisador de Cambridge Fred Hoyle (o H no artigo principal), que cunhou a expressão em uma entrevista de rádio da BBC em 1948, pensou que a ideia de toda a matéria do universo emergindo de uma só vez, como a explosão repentina de uma colossal piñata cósmica, fosse patentemente ridículo.



Fred Hoyle era um regular em programas de rádio da BBC nas décadas de 1940 e 1950, e uma das figuras mais influentes no campo da nucleossíntese estelar. Crédito da imagem: British Broadcasting Company.

Embora ele acreditasse em um cosmos em expansão, ele pensava que duraria para sempre em um estado estacionário de quase mesmice, com um fluxo lento de matéria fresca preenchendo as lacunas – semelhante a um alfaiate adicionando novos botões a um terno alterado para uma criança em crescimento.

No Big Bang, o Universo em expansão faz com que a matéria se dilua ao longo do tempo, enquanto na Teoria do Estado Estacionário, a criação contínua de matéria garante que a densidade permaneça constante ao longo do tempo. Crédito da imagem: E. Siegel.



Um dos principais problemas com o esquema Steady State de Hoyle, co-desenvolvido com Thomas Gold e Herman Bondi, foi explicar como as partículas frias e elementares que gradualmente se infiltram no espaço podem se transformar em elementos superiores. Nesse domínio, a teoria do Big Bang, a princípio, afirmava ter todas as respostas. George Gamow, junto com seu aluno Ralph Alpher, pretendia explicar a totalidade da criação de elementos através da nucleossíntese do Big Bang. Ou seja, eles argumentaram que o caldeirão de fogo do Big Bang forjou todos os elementos químicos naturais, do hidrogênio ao urânio, a partir dos blocos de construção mais simples de prótons e nêutrons. Eles publicaram seu trabalho em um artigo-chave Origem dos Elementos Químicos, que apareceu em abril de 1948.

George Gamow, de pé (com cachimbo) à direita, no Laboratório Bragg em 1930/1931. Crédito da imagem: Serge Lachinov.

Gamow tinha um maravilhoso senso de humor e adorava pregar peças. Observando que o nome de Alpher e o seu se assemelhavam às primeiras e terceiras letras do alfabeto grego, alfa e gama, ao submeter o artigo, decidiu acrescentar o nome do físico Hans Bethe, que soava como beta, como segundo autor. Bethe não tinha quase nada a ver com o jornal. No entanto, ele era um especialista em nucleossíntese, então a ideia não era tão louca quanto parecia. Assim, o artigo seminal é universalmente conhecido como o papel alfa-beta-gama. (Quando outro estudante de pós-graduação Robert Herman se juntou à equipe, Gamow sugeriu brincando que ele mudasse seu nome para Delter, apenas para se encaixar.)



O famoso artigo Alpher-Bethe-Gamow de 1948, que detalhava alguns dos pontos mais delicados da Nucleossíntese do Big Bang. Os elementos leves foram previstos corretamente; os elementos pesados ​​não eram. Crédito da imagem: Physical Review (1948).

Orgulhoso de seu inteligente jogo de palavras, bem como de sua nova ideia, Gamow enviou uma cópia do artigo para seu amigo físico sueco Oskar Klein, aconselhando-o sobre sua importância. Parece que este artigo “alfabético” pode representar alfa a ômega da produção do elemento, escreveu Gamow. Como é que você gosta? Klein então respondeu:



Muito obrigado por me enviar seu encantador papel alfabético. Você me permite, no entanto, ter alguma dúvida quanto à sua representação 'o alfa para o ômega da produção do elemento.' quanto ao desenvolvimento futuro, vejo dificuldades.

De fato, a resposta de Klein foi adequada. O artigo alfa-beta-gama poderia explicar literalmente apenas os três primeiros elementos: hidrogênio, hélio e (até certo ponto) lítio. Estes podem ser construídos passo a passo, como os degraus de uma escada, adicionando um próton, nêutron ou deutério (combinação próton-nêutron) para subir para o próximo isótopo. Além da produção de lítio havia um problema fatal: não havia isótopos estáveis ​​de massa atômica (soma de prótons mais nêutrons) cinco ou oito!

  • A adição de um próton ou nêutron ao hélio-4, para criar hélio-5 ou lítio-5, faria com que qualquer um deles decaísse em menos de 10 a 21 segundos.
  • A adição de dois núcleos de hélio-4, para criar berílio-8, resulta em um decaimento em pouco menos de 10 a 16 segundos.

Sem um bom passo na massa cinco ou oito, parecia não haver uma boa maneira de progredir ainda mais. Não havia como, por exemplo, o carbono ser montado, especialmente no tempo limitado em que o universo estava mais quente. Quando você pensava em elementos ainda mais altos e pesados, o problema só ficava mais difícil. A escada de nucleossíntese do Big Bang estava, portanto, perdendo degraus-chave que a condenavam como uma descrição completa de toda a tabela periódica.

As abundâncias previstas de hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio-7 conforme previsto pela Nucleossíntese do Big Bang, com observações mostradas nos círculos vermelhos. Embora alguns elementos sejam construídos pelo Big Bang, a maior parte da tabela periódica não é. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

Hoyle, enquanto isso, apresentou sua própria hipótese de que todos os elementos superiores além do hélio foram produzidos em estrelas gigantes vermelhas. Ao longo de uma década, de meados da década de 1940 a meados da década de 1950, ele começou a considerar vários tipos de processos nucleares que poderiam construir os elementos superiores, como carbono, nitrogênio e oxigênio em núcleos estelares de fogo. Isso exigiria temperaturas imensamente altas sustentadas por longos períodos de tempo.

Na Caltech, C.C. (Charles Christian) Lauritsen, um físico nuclear dinamarquês, havia estabelecido um poderoso centro de estrutura nuclear chamado Laboratório de Radiação W. K. Kellogg. Os pesquisadores de lá na década de 1950 incluíam o estudante de pós-graduação de Lauritsen, William Fowler, e o filho de Lauritsen, Thomas, um físico talentoso por direito próprio. O laboratório se destacou pelo uso de aceleradores de partículas para acelerar e arremessar partículas em direção a alvos nucleares, causando em alguns casos transmutações.

Willie Fowler em W.K. Kellogg Radiation Laboratory da Caltech, que confirmou a existência do Hoyle State e do processo triplo-alfa. Crédito da imagem: Arquivos Caltech.

Atraído pela capacidade do Kellogg Lab, Hoyle organizou inúmeras visitas longas ao Caltech, começando em 1953. Ao chegar ao laboratório, ele imediatamente desafiou os pesquisadores a investigar sua hipótese de um estado excitado de longa duração do carbono-12 que atuou como um passo vital na nucleossíntese estelar. Fowler, os dois Lauristens e outro físico chamado C.W. Cook partiram para encontrar esse estado e conseguiram em pouco tempo produzi-lo. Isso deu início a uma colaboração altamente lucrativa entre Hoyle, Fowler e outros. Eles logo se juntaram à equipe de esposa e marido dos astrônomos britânicos E. Margaret e Geoffrey Burbidge, que haviam trabalhado com Hoyle em Cambridge.

Margaret e Geoffrey Burbidge, pioneiros no campo da nucleossíntese estelar. Crédito da imagem: Arquivos Caltech.

Em 30 de dezembro de 1956, o trabalho de transmutação de elementos em Kellogg, envolvendo o bombardeio de carbono com dêuterons, foi apresentado no New York Times como evidência da teoria do estado estacionário em oposição ao Big Bang. Referindo-se a uma palestra proferida por Thomas Lauritsen na reunião anual da American Physical Society daquele ano, sua manchete dizia: Físico Faz Hélio de Carbono; A transmutação é saudada como ajudando a explicar a origem do universo; Sucesso da teoria do 'Big Bang'.

As manchetes anunciando o sucesso da nucleossíntese estelar... e a derrubada das previsões alfa-beta-gama de elementos mais pesados. Crédito da imagem: New York Times.

Menos de um ano depois, em 1º de outubro de 1957, os dois Burbidges, Fowler e Hoyle (B²FH) publicaram em Reviews of Modern Physics o artigo do seminário Synthesis of the Elements in Stars. Baseando-se na experiência teórica de Hoyle, no know-how observacional dos Burbidges e na proeza experimental de Fowler (que ele pegou em parte de CC Lauritsen), o artigo foi uma exposição brilhante de como os elementos foram construídos, dividindo-os em diferentes processos, começando com queima de hidrogênio e queima de hélio, e continuando para os chamados processos s (captura lenta de nêutrons), r (captura rápida de nêutrons) ep (captura de prótons) envolvendo elementos superiores.

As maneiras de construir elementos - estáveis ​​e instáveis ​​- a partir da nucleossíntese em estrelas. Crédito da imagem: Woosley, Arnett e Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Eles mostraram como estrelas envelhecidas que eram massivas o suficiente, como Gigantes Vermelhas e Supergigantes, poderiam achar energeticamente viável criar todos os elementos até o ferro em seus núcleos. Os elementos ainda mais altos poderiam ser produzidos nas condições extremas de uma explosão de supernova, em que toda a gama de elementos seria liberada no espaço.

Um remanescente de supernova não apenas expele elementos pesados ​​criados na explosão de volta ao Universo, mas a presença desses elementos pode ser detectada da Terra. Crédito da imagem: NASA / Observatório de Raios-X Chandra.

A principal limitação do artigo de outra forma notável foi sua falha em prever a enorme quantidade de hélio no espaço. Embora todas as estrelas fundam hidrogênio em hélio, elas só criariam um universo que fosse, em massa, menos de 5% de hélio hoje. No entanto, observamos um Universo onde mais de 25% de sua massa é hélio. Para produzir essa porcentagem, o Big Bang quente acabou sendo necessário. A correspondência próxima das previsões do Big Bang com a proporção real de hidrogênio para hélio, bem como a descoberta de 1965 por Arno Penzias e Robert Wilson da radiação cósmica de fundo, o silvo resfriado da radiação do início do universo, cimentou os astrônomos convencionais. apoio do Big Bang sobre o estado estacionário.

Em meados da década de 1960, Hoyle e os Burbidges abandonaram a teoria original do estado estacionário, mas junto com o aluno de Hoyle, Jayant Narlikar, desenvolveu uma alternativa com pequenas franjas chamada estado quase estacionário. Até sua morte em 2001, Hoyle continuou a abraçar essa teoria. Enquanto Fowler ganhou o Prêmio Nobel por sua pesquisa nuclear em geral, sem dúvida Hoyle e os Burbidges receberam relativamente pouco crédito por suas contribuições seminais.

Em 2007, juntamente com Virginia Trimble, ajudei a organizar uma sessão em uma reunião da American Physical Society em homenagem ao 50º aniversário do artigo B²FH. Geoffrey Burbidge, então com problemas de saúde, ajudado por uma enfermeira e confinado a uma cadeira de rodas, compareceu e deu uma palestra. Seu espírito e voz eram tão fortes como sempre, no entanto. Lembro-me dele falando sobre as pessoas do Big Bang serem como lemingues sem mente seguindo seu líder por um penhasco. Ele morreu menos de três anos depois.

Hoje Margaret Burbidge, aos 97 anos, é a única autora do artigo ainda viva, pois comemoramos seu 60º aniversário. Vamos brindar ao Prof. Burbidge e seus falecidos colegas, em comemoração ao momento em que a humanidade percebeu que é feito de matéria estelar!


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