• Começa Com Um Estrondo

É por isso que três dos elementos mais leves são tão cosmicamente raros

Quando uma partícula cósmica de alta energia atinge um núcleo atômico, ela pode dividir esse núcleo em um processo conhecido como espalação. Esta é a forma avassaladora que o Universo, uma vez que atinge a idade das estrelas, produz novos lítio, berílio e boro. (NICOLLE R. FULLER/NSF/ICECUBE)

Hélio e carbono são produzidos copiosamente no interior das estrelas. Mas os elementos intermediários? São raridades em todos os lugares.

Se você pegasse todos os elementos da tabela periódica e os ordenasse por quão abundantes eles são no Universo, encontraria algo um pouco surpreendente. O elemento mais comum é o hidrogênio, compondo quase três quartos do Universo em massa. Cerca de um quarto é o hélio, produzido principalmente nos estágios iniciais do Big Bang quente, mas também produzido pela fusão nuclear que ocorre na maioria das estrelas, incluindo o nosso Sol.

Além disso, está o oxigênio em #3, o carbono em #4, seguido de perto por neon, nitrogênio, ferro, magnésio e silício, todos produzidos no interior de estrelas de queima quente, massivas e gigantes. Em geral, os elementos mais pesados ​​são raros e os leves são abundantes, mas há três grandes exceções: lítio, berílio e boro. No entanto, esses três elementos são os 3º, 4º e 5º mais leves de todos. Aqui está a história cósmica de por que eles são tão raros.

As abundâncias dos elementos no Universo hoje, conforme medido para o nosso Sistema Solar. Apesar de serem os 3º, 4º e 5º elementos mais leves de todos, as abundâncias de lítio, berílio e boro estão muito abaixo de todos os outros elementos próximos na tabela periódica. (MHZ`AS/WIKIMEDIA COMMONS (IMAGEM); K. LODDERS, APJ 591, 1220 (2003) (DADOS))

Imediatamente após o Big Bang quente, os primeiros núcleos atômicos se formaram a partir de um mar ultra-energético de quarks, léptons, fótons, glúons e antipartículas. À medida que o Universo esfriou, as antipartículas foram aniquiladas, os fótons deixaram de ser energéticos o suficiente para explodir núcleos ligados, e assim os prótons e nêutrons do Universo primitivo começaram a se fundir. Se pudéssemos criar os elementos pesados ​​encontrados no planeta Terra, o Universo poderia estar pronto para a vida desde o nascimento das primeiras estrelas.

Infelizmente para nossos sonhos do Universo nascendo com os ingredientes necessários para a vida, os fótons permanecem com muita energia para formar até mesmo o núcleo pesado mais simples – deutério, com um próton e um nêutron unidos – até que mais de três minutos se passaram desde o Big Bang. . Quando as reações nucleares podem ocorrer, o Universo é apenas um bilionésimo da densidade do centro do Sol.

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. Observe o ponto-chave aqui: uma boa teoria científica (Big Bang Nucleosynthesis) faz previsões robustas e quantitativas para o que deveria existir e ser mensurável, e as medidas (em vermelho) se alinham extraordinariamente bem com as previsões da teoria, validando-a e limitando as alternativas . As curvas e a linha vermelha são para 3 espécies de neutrinos; mais ou menos levam a resultados que conflitam severamente com os dados, particularmente para deutério e hélio-3. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Este ainda é um bom negócio, pois nos dá um Universo feito de cerca de 75% de hidrogênio, 25% de hélio-4, cerca de 0,01% de deutério e hélio-3 cada e aproximadamente 0,0000001% de lítio. Essa pequena quantidade de lítio é o que existia antes de qualquer estrela no Universo se formar, e isso é uma coisa muito, muito boa para nós, porque o lítio é um elemento muito importante para muitas aplicações, tecnologias e até funções biológicas aqui na Terra, inclusive em humanos.

Mas uma vez que você começa a formar estrelas, tudo muda. Sim, uma vez que você atinge densidades semelhantes a estrelas junto com temperaturas que sobem acima de cerca de 4 milhões de K, você começa a fundir hidrogênio em hélio; nosso Sol está ocupado fazendo isso agora. Os processos nucleares que ocorrem estão literalmente mudando o Universo. Só que eles não mudam as coisas apenas da maneira que gostaríamos; eles também mudam as coisas em uma direção inesperada.

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. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO SARANG)

Quando você forma uma estrela, não é apenas o hidrogênio que atinge essas temperaturas astronomicamente altas, são todas as partículas dentro dela. Infelizmente para o lítio, essas são temperaturas mais do que suficientes para destruí-lo. O lítio tem sido um dos elementos mais notoriamente difíceis de medir no Universo principalmente por esta razão: quando chegamos aos dias atuais e podemos extrair de forma confiável um sinal de lítio, muito do que o Universo começou já foi destruído.

Espere, eu posso ouvi-lo objetar. O Universo está claramente cheio desses elementos pesados: carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo e todos os elementos necessários à vida, até a tabela periódica até o urânio e até além. Certamente deve haver uma maneira de fazê-los, certo?

De fato, você está certo.

Compreender a origem cósmica de todos os elementos mais pesados ​​que o hidrogênio pode nos dar uma poderosa janela para o passado do Universo, bem como uma visão de nossas próprias origens. No entanto, todos os elementos feitos após o lítio não poderiam ter chegado até nós desde os primeiros tempos do Universo, mas precisavam ser criados mais tarde. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS CEPHEUS)

Quando cada estrela massiva o suficiente (incluindo o nosso Sol) queima todo o hidrogênio em seu núcleo, a fusão nuclear diminui e para. De repente, a pressão de radiação que mantinha o interior da estrela contra o colapso gravitacional começa a cair e o núcleo começa a encolher.

Na física, quando qualquer sistema de matéria se comprime rapidamente em relação a uma determinada escala de tempo, ele se aquece. No interior das estrelas, um núcleo predominantemente de hélio pode atingir temperaturas tão extremas que a fusão nuclear de hélio em carbono pode começar, através de uma reação nuclear especial conhecida como processo triplo-alfa. Em estrelas como o Sol, o carbono é o fim, e a única maneira pela qual os elementos mais pesados ​​são formados é pela produção de nêutrons, que podem subir na tabela periódica muito lentamente.

Uma vez que a fusão de hélio tenha completado seu curso, as camadas externas da estrela serão expelidas em uma nebulosa planetária enquanto o núcleo encolhe para formar uma anã branca.

As nebulosas planetárias assumem uma ampla variedade de formas e orientações, dependendo das propriedades do sistema estelar de onde surgem, e são responsáveis ​​por muitos dos elementos pesados ​​do Universo. Estrelas supergigantes e estrelas gigantes que entram na fase de nebulosa planetária são mostradas para construir muitos elementos importantes da tabela periódica através do processo s. (NASA, ESA E A EQUIPE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA))

Mas existem estrelas muito mais massivas do que isso, capazes de sofrer fusão de carbono à medida que o núcleo se contrai ainda mais. As estrelas onde isso ocorre fundem carbono em oxigênio, oxigênio em néon, néon em magnésio e para cima e para cima até criarem silício, enxofre, argônio, cálcio e elementos até ferro, níquel e cobalto. Quando eles finalmente ficarem sem combustível útil, eles terminarão suas vidas em um evento cataclísmico conhecido como supernova.

Essas supernovas são responsáveis ​​por uma grande fração de muitos dos elementos mais pesados ​​do Universo, enquanto outros eventos como fusões de anãs brancas com anãs brancas ou fusões de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons produzem o restante. Entre estrelas que terminam suas vidas em nebulosas planetárias ou supernovas, bem como as fusões de seus remanescentes, podemos dar conta da esmagadora maioria dos elementos encontrados na natureza.

A anatomia de uma estrela muito massiva ao longo de sua vida, culminando em uma Supernova Tipo II quando o núcleo fica sem combustível nuclear. O estágio final da fusão é tipicamente a queima de silício, produzindo ferro e elementos semelhantes a ferro no núcleo por apenas um breve período antes que uma supernova ocorra. Muitos dos remanescentes de supernova levarão à formação de estrelas de nêutrons, que podem produzir as maiores abundâncias dos elementos mais pesados ​​de todos. (NICOLE RAGER FULLER/NSF)

Entre os seguintes mecanismos:

• a grande explosão,
• as estrelas que queimam hidrogênio,
• as estrelas que queimam hélio (completas com a emissão e absorção de nêutrons),
• as estrelas de carbono e além da queima (completas com seu fim de vida em supernovas Tipo II),
• as fusões de anãs brancas (produzindo supernovas Tipo Ia),
• e as fusões de estrelas de nêutrons (produzindo quilonovas e a maioria dos elementos mais pesados),

podemos dar conta de praticamente todos os elementos que encontramos no Universo. Existem alguns elementos instáveis ​​que são ignorados – tecnécio e promécio – porque se decompõem muito rapidamente. Mas três dos elementos mais leves precisam de um novo método, porque nenhum desses mecanismos cria berílio ou boro, e a quantidade de lítio que vemos não pode ser explicada apenas pelo Big Bang.

Os elementos da tabela periódica e sua origem estão detalhados nesta imagem acima. Enquanto a maioria dos elementos se origina principalmente em supernovas ou estrelas de nêutrons em fusão, muitos elementos de importância vital são criados, em parte ou mesmo principalmente, em nebulosas planetárias, que não surgem da primeira geração de estrelas. (NASA/CXC/SAO/K. DIVONA)

O hidrogênio se funde em hélio e o hélio é o elemento #2. São necessários três núcleos de hélio para se fundirem em carbono, onde o carbono é o elemento #6. Mas e os três elementos intermediários? E quanto ao lítio, berílio e boro?

Como se vê, não há processos estelares que produzam esses elementos em quantidades suficientes sem destruí-los quase com a mesma rapidez, e há uma boa razão física para isso. Se você adicionasse hidrogênio ao hélio, criaria lítio-5, que é instável e decai quase imediatamente. Você pode tentar fundir dois núcleos de hélio-4 para formar berílio-8, que também é instável e decai quase imediatamente. De fato, todos os núcleos com massas de 5 ou 8 são instáveis.

Você não pode fazer esses elementos a partir de reações estelares envolvendo elementos leves ou pesados; não há como fazê-los em estrelas. No entanto, lítio, berílio e boro não apenas existem, eles são essenciais para os processos de vida aqui na Terra.

Este é um modelo simples de uma única célula vegetal, com muitas das estruturas familiares dentro, incluindo suas paredes celulares primárias e secundárias. O elemento boro é absolutamente essencial para a vida como a conhecemos na Terra. Sem boro, as paredes das células vegetais não existiriam. (CAROLINE DAHL / CCA-BY-SA-3.0)

Esses elementos, em vez disso, devem sua existência às fontes de partículas mais energéticas do Universo: pulsares, buracos negros, supernovas, quilonovas e galáxias ativas. Estes são os aceleradores de partículas naturais conhecidos do Universo, expelindo partículas cósmicas em todas as direções por toda a galáxia e até mesmo nas vastas distâncias intergalácticas.

As partículas energéticas produzidas por esses objetos e eventos se movem em todas as direções e, eventualmente, colidirão com outra partícula de matéria. Se a partícula que atinge for um núcleo de carbono (ou mais pesado), as altas energias da colisão podem causar outra reação nuclear que separa o núcleo maior, criando uma cascata de partículas de menor massa. Assim como a fissão nuclear pode dividir um átomo em elementos mais leves, a colisão de um raio cósmico com um núcleo pesado pode igualmente explodir essas partículas pesadas e complexas.

Impressão artística de um núcleo galáctico ativo. O buraco negro supermassivo no centro do disco de acreção envia um jato de matéria estreito e de alta energia para o espaço, perpendicular ao disco de acreção do buraco negro. Eventos e objetos como este podem criar partículas cósmicas enormemente aceleradas, que podem colidir com núcleos atômicos pesados ​​e destruí-los em componentes menores. (DESY, LABORATÓRIO DE COMUNICAÇÃO CIENTÍFICA)

Quando você esmaga uma partícula de alta energia em um núcleo massivo, o grande núcleo se divide em uma variedade de partículas componentes. Esse processo, conhecido como espalação , é como a maioria do lítio, berílio e boro foi formada em nosso Universo. Esses são os únicos elementos do Universo que são formados principalmente por esse processo, e não por estrelas, remanescentes estelares ou o próprio Big Bang.

Quando você observa a abundância de todos os elementos que conhecemos, há uma escassez superficialmente surpreendente do 3º, 4º e 5º elementos mais leves de todos. Há um enorme abismo entre o hélio e o carbono, e finalmente sabemos por quê. A única maneira de produzir essas raridades cósmicas é por uma colisão casual de partículas que atravessam o Universo, e é por isso que há apenas alguns bilionésimos da quantidade de qualquer um desses elementos em comparação com carbono, oxigênio e hélio. A espalação de raios cósmicos é a única maneira de fazê-los uma vez que entramos na era das estrelas, e bilhões de anos depois, até mesmo esses oligoelementos são essenciais para o livro da vida.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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