De onde vêm todos os elementos?

Costuma-se dizer que cada elemento foi feito em uma estrela, mas há mais do que isso.

Nebulosa NASA
  • De onde vem a folha de alumínio da sua cozinha? É extraído da terra, é claro, mas antes, como foi parar lá?
  • Todos os elementos do universo têm fontes muito díspares e foram produzidos em condições muito diferentes. O Big Bang, por exemplo, produziu hidrogênio, hélio e lítio; de onde vieram os outros elementos?
  • Os cientistas sabem o suficiente para dizer com alguma certeza qual porcentagem de um determinado elemento veio de, digamos, estrelas de nêutrons em colisão, supernovas de estrelas massivas ou raios cósmicos.

Todas as coisas ao seu redor - sua mesa, computador, café morno, seu corpo - tudo passou por uma longa jornada para chegar onde está agora. Os diferentes elementos parecem tão fundamentais que muitas vezes deixamos de nos perguntar de onde vieram; eles apenas parecem que sempre estiveram lá. Na verdade, todos os elementos do universo vêm de fontes muito diversas, cada uma com diferentes condições que predispõem à produção de, digamos, ósmio em vez de sódio. A figura abaixo mostra todas as diferentes fontes dos diferentes elementos. Aqui está o que cada categoria significa.



Fonte da imagem: Wikimedia Commons



Fusão big bang

Poucos segundos após o Big Bang, tudo estava muito quente ser qualquer coisa. Tão quente, na verdade, que as quatro forças fundamentais do universo foram meio que 'fundidas' em uma única força, e a maioria das partículas elementares não poderia existir.

Conforme o universo continuou a esfriar, no entanto, novas reações podem ocorrer. Quarks e glúons podem existir e se combinar para formar prótons e nêutrons. Entre o décimo segundo e vigésimo minuto depois do Big Bang, os três elementos mais leves da tabela periódica foram produzidos: hidrogênio, hélio e uma quantidade muito pequena de lítio. O hidrogênio é bastante simples - ele só precisa de um próton e um elétron para existir. Mas uma vez que ele capta um ou dois nêutrons, ele pode se fundir com ele mesmo ou poupar prótons para se tornar hélio, liberando energia no processo.



O problema é que o universo foi expandindo e resfriando muito rapidamente neste ponto - simplesmente não havia energia suficiente para dar suporte às reações de fusão adicionais que criarão os elementos mais pesados. Ocasionalmente, algumas reações raras entre isótopos de hidrogênio e hélio poderiam produzir lítio, mas as primeiras estrelas precisariam se formar antes que mais fusão pudesse ocorrer. Nesse ponto, toda a matéria do universo consistia em cerca de 75% de hidrogênio e 24% de hélio, com o restante sendo lítio.

Explodindo estrelas massivas

Cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, o hidrogênio e o hélio que se dispersaram por todo o universo começaram a se aglutinar em nuvens desses elementos, que se tornaram cada vez mais densas, transformando-se em estrelas.

As estrelas passam cerca de 90% de suas vidas fundindo átomos de hidrogênio, o que acaba produzindo hélio. À medida que a estrela queima suas reservas de hidrogênio, ela começa a entrar em colapso para dentro, tornando-se denso e quente o suficiente para queimar o hélio, fazendo com que ele se expanda novamente. A queima do hélio produz carbono, que queima para produzir oxigênio e assim por diante. Estrelas enormes são feitas de camadas parecidas com cebola , com a camada externa queimando elementos mais leves, convertendo-os em elementos mais pesados ​​que são queimados nas camadas internas. Isso continua até chegarmos ao ferro. A energia que une as partículas de um átomo de ferro é muito alta para produzir energia por fusão. Estrelas massivas que alcançam este ponto não têm meios de gerar energia para se sustentar, então elas entram em colapso. Conforme a massa da estrela colapsa em um ponto central, ela salta de volta para uma supernova.



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É aqui que acontece a maior parte da magia. A energia da supernova é suficiente para forçar a síntese da maioria dos elementos mais pesados ​​que o ferro rapidamente.

Estrelas morrendo de baixa massa

Estrelas de baixa massa não têm energia suficiente para produzir diretamente elementos mais pesados ​​até o ferro, como fazem as estrelas massivas, e não explodem em supernovas para produzir elementos mais pesados ​​que o ferro. Em contraste com os poucos segundos de criação elemental vistos na supernova, estrelas moribundas de baixa massa produzem novos elementos ao longo de milhares de anos. Aqui está como funciona : Nêutrons na estrela colidem com elementos mais leves, criando isótopos desses elementos. Isso continua até que o isótopo se torne instável e o nêutron responsável por criar o isótopo instável decai em um elétron, um antineutrino e um próton. O elétron e o antineutrino disparam, enquanto o próton fica com a molécula, transformando-a em um novo elemento. Esse processo continua, subindo na linha até que o lead seja criado. Na verdade, uma pequena quantidade de bismuto é produzida aqui também, mas devido à natureza da densidade e velocidade dos nêutrons livres nesse tipo de estrela, o processo para aqui.

Fissão de raio cósmico

Como o espaço é um lugar tão movimentado, estrelas e outros objetos de alta energia estão constantemente produzindo raios cósmicos, fluxos de partículas altamente carregadas que consistem principalmente de prótons. Quando eles atingem objetos no espaço, como luas, nossa própria atmosfera ou outros raios cósmicos, a colisão separa prótons e nêutrons da matéria atingida pelo raio. Como resultado, muitos dos elementos mais leves do universo , a saber, berílio, lítio e boro, são produzidos dessa maneira.

Mesclando estrelas de nêutrons

Os restos de uma fusão de estrela de nêutrons.

Centro de Voo Espacial Goddard da NASA / Laboratório CI

Depois que uma estrela massiva explode em uma supernova, o carro restante é conhecido como uma estrela de nêutrons, assim chamada porque sua gravidade essencialmente derrete os prótons e elétrons de seu material em nêutrons.

Quando duas dessas estrelas orbitam uma a outra, com o tempo, elas começam a se aproximar cada vez mais, acelerando à medida que o fazem. Quando eles colidem, eles produzem um dos eventos mais energéticos do universo. Quando essas fusões ocorrem, elas produzem um número impressionante de átomos pesados ​​demais para serem forjados em estrelas normais. A astrônoma da NASA Michelle Thaller explica como isso funciona e como a maior parte do ouro da Terra (até mesmo o ouro dentro de seus cérebros) é produzida por tais colisões:

Explodindo estrelas anãs brancas

Semelhante às estrelas de nêutrons, as anãs brancas são os restos de uma estrela morta. A diferença é que as anãs brancas não são os restos de uma supernova; em vez disso, eles são feitos de restos de fusão que ocorreram em estrelas com massas menores e são tipicamente compostos de carbono e oxigênio.

As anãs brancas não apresentam reações de fusão para suportar seu tamanho contra a gravidade. Em vez disso, eles contam com algo chamado de pressão de degenerescência de elétrons. Os elétrons não podem ocupar o mesmo estado, então eles empurram contra a gravidade para resistir à compressão. Se a estrela tivesse mais massa e, portanto, sentisse a gravidade com mais força, os elétrons e prótons seriam comprimidos em nêutrons, formando uma estrela de nêutrons. Estrelas de nêutrons são apoiadas por pressão de degeneração de nêutrons , mas se isso for derrubado pela gravidade, você terá um buraco negro.

Portanto, se uma anã branca receber massa adicional de alguma forma (geralmente por sifonagem de outro corpo celeste próximo), ela pode correr o risco de se transformar em uma estrela de nêutrons. No entanto, uma vez que se aproxima do ponto onde seus elétrons não podem mais suportar a estrela, ela se torna densa e quente o suficiente para fusão inicial novamente queimando oxigênio. Uma estrela normal, à medida que seus processos de fusão aquecem a estrela, se expande e esfria. Mas a pressão de degeneração de elétrons não aumenta com a temperatura, então a estrela não pode se expandir. Sem essa regulação, mais e mais reações de fusão ocorrem na estrela, causando temperaturas cada vez maiores, causando mais e mais fusão. Em algum ponto, é demais; a estrela explode em uma supernova do tipo Ia. Durante esses poucos segundos, muitos dos elementos restantes na tabela periódica são fundidos.

Síntese humana

Todos os elementos restantes têm isótopos instáveis, o que significa que quaisquer instâncias desses elementos produzidos por processos naturais teriam decaído com o tempo. Como resultado, a única maneira de encontrar esses elementos é por meio de síntese artificial.

Costuma-se dizer que todos os elementos vêm de estrelas, mas isso é uma simplificação exagerada. Alguns têm que ser feitos artificialmente, alguns foram produzidos no Big Bang e outros foram feitos por tipos muito diferentes de estrelas em condições muito diferentes. Portanto, da próxima vez que você beber de uma lata de refrigerante, poderá dizer com segurança que o 1% de manganês que ela contém provavelmente veio de uma anã branca explodindo. Ou você pode apontar para seu colar de prata; provavelmente veio da fusão de estrelas de nêutrons.

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