• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Como uma bomba nuclear pode ser mais quente que o centro do nosso sol?

A nuvem de cogumelo resultante do teste de armas nucleares Bravo (rendimento 15 Mt) no Atol de Bikini. O teste foi parte da Operação Castelo em 1954, e foi uma das bombas de hidrogênio mais fortes (mas não as mais fortes) já detonadas. Em uma explosão de bomba de hidrogênio, a fissão nuclear comprime um pellet interno, que então sofre fusão nuclear em uma reação de liberação de energia descontrolada. Por alguns breves momentos, as temperaturas podem exceder as do centro do Sol. (DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS EUA)

O centro do nosso Sol chega a 15 milhões de K, mas as bombas nucleares podem ficar quase 20 vezes mais quentes. Aqui está como.

Em termos de produção de energia bruta, nada em nosso mundo se compara ao nosso Sol. Nas profundezas do nosso Sol, a fusão nuclear transforma enormes quantidades de hidrogênio em hélio, produzindo energia no processo. A cada segundo, essa fusão faz com que o Sol queime 700 milhões de toneladas de combustível, muitos dos quais são convertidos em energia por meio de Einstein. E = mc² . Nada na Terra pode se comparar a essa quantidade de energia. Mas em termos de temperatura, temos a batida do Sol. Isso intriga Paul Dean, que pergunta:

[A] temperatura no núcleo do nosso sol é geralmente citada em 15 milhões de graus Celsius ou mais. ... O que eu não entendo é o seguinte: algumas detonações de teste termonuclear de tamanho médio feitas pela antiga União Soviética e pelos EUA foram registradas em (mesmo que muito brevemente) 200 ou mesmo 300 milhões de graus Celsius. Como nossas explosões de bomba de hidrogênio de 3 estágios podem ser muito mais quentes do que o denso inferno do forno de fusão monstruoso do Sol?

É uma ótima pergunta com uma resposta fascinante. Vamos descobrir.

A versão mais direta e de menor energia da cadeia próton-próton, que produz hélio-4 a partir do combustível inicial de hidrogênio. Este é o processo nuclear que funde hidrogênio em hélio no Sol e em todas as estrelas como ele, e a reação líquida converte um total de 0,7% da massa dos reagentes iniciais (hidrogênio) em energia pura, enquanto os 99,3% restantes do massa é encontrada em produtos como o hélio-4. Reações semelhantes que convertem elementos leves em mais pesados, liberando energia, também estão em jogo em bombas de fusão na Terra. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO SARANG)

As detonações nucleares mais poderosas da Terra e do interior do Sol têm muito em comum.

1. Ambos obtêm a esmagadora maioria de sua energia da fusão nuclear: comprimir núcleos leves em núcleos mais pesados.
2. O processo de fusão é energeticamente favorável, o que significa que os produtos são mais baixos em massa do que os reagentes.
3. Essa diferença de massa significa que a massa que falta é convertida em energia através da famosa equação de Einstein, E = mc² .
4. E esse processo, enquanto durar, injeta uma tremenda quantidade de energia em um volume confinado de espaço.

A física que governa essas reações nucleares é a mesma, independentemente de onde elas ocorram: seja dentro do Sol ou na região central crítica de uma explosão de bomba atômica.

Esses quatro painéis mostram a explosão do teste Trinity, a primeira bomba nuclear (de fissão) do mundo, nos respectivos 16, 25, 53 e 100 milissegundos após a ignição. As temperaturas mais altas ocorrem nos primeiros momentos de ignição, antes que o volume da explosão aumente drasticamente. (FUNDAÇÃO DO PATRIMÔNIO ATÔMICO)

A parte mais quente de qualquer explosão ocorre nos estágios iniciais, quando a maior parte da energia é liberada, mas permanece em um volume muito pequeno de espaço. Para as primeiras bombas atômicas de estágio único que tínhamos na Terra, isso significava que a detonação inicial foi onde ocorreram as temperaturas mais altas. Mesmo algumas frações de segundo depois, a expansão rápida e adiabática do gás no interior faz com que a temperatura caia drasticamente.

Mas em uma bomba atômica de vários estágios, uma pequena bomba de fissão é colocada em torno de material adequado para fusão nuclear. A explosão nuclear comprime e aquece o material no interior, atingindo as altas temperaturas e densidades necessárias para desencadear essa reação nuclear descontrolada. Quando a fusão nuclear ocorre, quantidades ainda maiores de energia são liberadas, sintetizadas pela detonação da Tsar Bomba pela União Soviética em 1960.

A explosão da Tsar Bomba em 1961 foi a maior detonação nuclear que já ocorreu na Terra e é talvez o exemplo mais famoso de uma arma de fusão já criada, com um rendimento de 50 megatons que supera em muito qualquer outro já desenvolvido. (ANDY ZEIGERT/FLICKR)

É verdade: as bombas de hidrogênio mais quentes, aproveitando o poder da fusão nuclear, de fato atingiram temperaturas de centenas de milhões de graus Celsius. (Ou kelvin, cujas unidades usaremos a partir de agora.) Por outro lado, dentro do Sol, a temperatura é relativamente fria ~ 6.000 K na borda da fotosfera, mas aumenta à medida que você viaja em direção ao núcleo do Sol através da várias camadas.

A maior parte do volume do Sol é composta pela zona radiativa, onde as temperaturas aumentam de milhares para milhões de K. Em algum local crítico, as temperaturas ultrapassam um limite de cerca de 4 milhões de K, que é o limite de energia necessário para a fusão nuclear começar. À medida que você se aproxima do centro, a temperatura sobe e sobe, até um pico de 15 milhões de K bem no centro. Esta é a temperatura mais quente alcançada em uma estrela como o nosso Sol.

Este trecho da imagem da “primeira luz” divulgada pelo Telescópio Solar Inouye da NSF mostra as células convectivas do tamanho do Texas na superfície do Sol em maior resolução do que nunca. Enquanto a fotosfera externa do Sol pode estar a apenas 6.000 K, o núcleo interno atinge temperaturas tão altas quanto 15.000.000 K. (NATIONAL SOLAR OBSERVATORY / AURA / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION / INOUYE SOLAR TELESCOPE)

Como, você pode se perguntar, pode uma versão em miniatura do Sol que se acende apenas por uma fração de segundo atingir temperaturas mais altas do que o próprio centro do Sol?

E é uma pergunta razoável de se fazer. Se você olhar para a energia total, não há comparação. A já mencionada Tsar Bomba, a maior explosão nuclear já ocorrida na Terra, liberou o equivalente a 50 megatons de TNT: 210 petajoules de energia. Por outro lado, a esmagadora maioria da energia do Sol vem das regiões mais quentes; 99% da produção de energia do Sol vem de regiões a 10 milhões K ou mais quentes, apesar do fato de que essa região representa apenas uma pequena porcentagem do volume do núcleo. O Sol emite o equivalente a 4 × 10²⁶ J de energia a cada segundo, em comparação, cerca de 2 bilhões de vezes mais energia do que a Tsar Bomba emitiu.

Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região que contém hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. Quando nosso Sol ficar sem combustível de hidrogênio no núcleo, ele se contrairá e aquecerá a um grau suficiente para que a fusão de hélio possa começar. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)

Com diferenças tão enormes de energia, pode parecer um erro concluir que a temperatura de uma bomba atômica é muitas vezes maior que a do centro do Sol. E, no entanto, nem tudo é energia. Não se trata nem de potência, ou da energia liberada em um determinado período de tempo; o Sol também tem a bomba atômica derrotada por uma ampla margem nessa métrica. Nem a energia nem a energia por unidade de tempo podem explicar com sucesso por que as bombas atômicas podem atingir temperaturas mais altas do que o núcleo do Sol.

Mas há uma explicação física, e a maneira de ver por si mesmo é pensar no volume do Sol. Sim, há uma enorme quantidade de energia sendo emitida, mas o Sol é enorme. Se nos restringirmos ao núcleo, mesmo à região mais interna e mais quente do núcleo, ainda estamos falando de enormes volumes de espaço, e isso faz toda a diferença.

Apesar de coisas como explosões, ejeções de massa coronal, manchas solares e outras físicas complexas que ocorrem nas camadas externas, o interior do Sol é relativamente estável: produzindo fusão a uma taxa definida por suas temperaturas e densidades internas em cada camada interna. (NASA/OBSERVATÓRIO SOLAR DYNAMICS (SDO) VIA GETTY IMAGES)

A maioria da fusão ocorre nos 20-25% mais internos do Sol, por raio. Mas isso é apenas cerca de 1% do Sol, em volume. Como o Sol é tão enorme – seu diâmetro é de aproximadamente 1.400.000 quilômetros, ou mais de 100 vezes o diâmetro da Terra – a quantidade total de energia e energia que ele produz está espalhada por um volume enorme. A principal coisa a ser observada não é apenas massa, energia ou potência, mas a densidade dessas quantidades.

Para o próprio núcleo do Sol, onde todas essas quantidades são mais altas, o Sol tem:

• uma densidade de 150 gramas por centímetro cúbico, cerca de 150 vezes a densidade da água,
• uma densidade de potência de cerca de 300 watts por metro cúbico, aproximadamente a mesma potência que o calor do corpo de um ser humano de sangue quente,
• e uma densidade de energia, como resultado, que corresponde a uma temperatura de 15 milhões de K.

A anatomia do Sol, incluindo o núcleo interno, que é o único local onde ocorre a fusão. Mesmo nas incríveis temperaturas de 15 milhões de K, o máximo alcançado no Sol, o Sol produz menos energia por unidade de volume do que um corpo humano típico. O volume do Sol, no entanto, é grande o suficiente para conter mais de 1⁰²⁸ humanos adultos, e é por isso que mesmo uma baixa taxa de produção de energia pode levar a uma produção total de energia tão astronômica. (NASA/JENNY MOTTAR)

Sobre o volume de espaço que o núcleo do Sol compreende, isso compõe uma quantidade literalmente astronômica de massa, energia e poder. Mas em qualquer região particular do espaço, a taxa de fusão é relativamente lenta. Liberar 300 W de potência por metro cúbico é aproximadamente a mesma quantidade de energia que você libera ao longo do dia em termos de energia térmica, queimando seu combustível baseado em produtos químicos para manter a temperatura corporal de seu sangue quente.

Em termos da quantidade de fusão nuclear por unidade de volume, isso é apenas o equivalente a converter cerca de 3 femtogramas de massa (3 × 10^–18 kg) em energia a cada segundo para cada metro cúbico de espaço dentro do núcleo do Sol. Para comparação, a Tsar Bomba – cuja explosão ocorreu em uma fração de segundo dentro de um volume inferior a um metro cúbico – converteu mais de 2 kg de massa (cerca de 5 libras) em energia pura.

O Sol é a fonte da maioria esmagadora de luz, calor e energia na superfície da Terra, e é alimentado por fusão nuclear. Mas sem as regras quânticas que governam o Universo em um nível fundamental, a fusão não seria possível. (DOMÍNIO PÚBLICO)

Essa é a percepção mais importante quando se trata de entender como uma explosão nuclear terrestre pode atingir temperaturas mais altas, particularmente em um intervalo de tempo muito curto, do que a parte mais quente do nosso Sol. Por quase todas as métricas significativas, o Sol supera de longe qualquer coisa que possamos criar na Terra, incluindo massa, energia, volume, potência e a produção sustentada do que é produzido.

Mas existem algumas maneiras pequenas, mas importantes, de uma explosão nuclear derrotar o Sol. Em particular:

• o número de reações de fusão em uma determinada quantidade de (pequeno) volume é muito maior,
• essas reações ocorrem em um período de tempo muito mais curto na Terra do que no Sol,
• e, portanto, a quantidade total de energia liberada por unidade de volume é muito maior.

Por um período de tempo muito pequeno, até que a expansão adiabática faça com que o volume da explosão aumente e a temperatura diminua, uma explosão nuclear pode aquecer até mesmo o centro do Sol.

Teste de arma nuclear Mike (rendimento 10,4 Mt) no Atol Enewetak. O teste fazia parte da Operação Ivy. Mike foi a primeira bomba de hidrogênio já testada. Uma liberação de tanta energia corresponde a aproximadamente 500 gramas de matéria sendo convertida em energia pura: uma explosão surpreendentemente grande para uma quantidade tão pequena de massa. Reações nucleares envolvendo fissão ou fusão (ou ambas, como no caso de Ivy Mike) podem produzir resíduos radioativos de longo prazo tremendamente perigosos, mas também podem produzir temperaturas superiores às do centro do Sol. (ADMINISTRAÇÃO NACIONAL DE SEGURANÇA NUCLEAR / ESCRITÓRIO DO SÍTIO DE NEVADA)

O interior do Sol é um dos lugares mais extremos que podemos imaginar. Em temperaturas de 15 milhões de K e matéria comprimida a densidades 150 vezes maiores que a água líquida na Terra, é quente e denso o suficiente para a fusão nuclear prosseguir continuamente, produzindo 300 J de energia a cada segundo para cada metro cúbico de espaço. É uma reação implacável e contínua, como um forno a lenha, só que mais quente, mais denso e movido a combustível nuclear.

Mas uma bomba de hidrogênio de vários estágios, onde uma bomba de fissão faz com que o núcleo interno se comprima, atingindo densidades mais altas da compressão do que no centro do Sol. Quando a reação de fusão começa, esses processos nucleares que ocorrem nessas densidades extraordinárias podem levar a uma reação em cadeia tão poderosa que, por um breve momento, a quantidade de calor por partícula em um determinado volume excede a do Sol. É assim que, aqui na Terra, podemos produzir algo – ainda que apenas por um instante – que seja realmente mais quente do que o centro do Sol.

No National Ignition Facility, lasers omnidirecionais de alta potência comprimem e aquecem um pellet de material em condições suficientes para iniciar a fusão nuclear. Uma bomba de hidrogênio, onde uma reação de fissão nuclear comprime a pastilha de combustível, é uma versão ainda mais extrema disso, produzindo temperaturas maiores do que até mesmo o centro do Sol. (DAMIEN JEMISON/LLNL)

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: