Artigo analisa elementos químicos pesados no espaço profundo

O professor Tiago de Jesus Santos, do curso de física da Ufac, é coautor de artigo publicado, em inglês, na revista “The European Physical Journal Plus, da editora Springer Nature” (vol. 141). O estudo investiga como os elementos químicos mais pesados do universo são sintetizados no espaço profundo.

“A pesquisa publicada foca no chamado processo r, que é o processo de captura rápida de nêutrons. Se, por um lado, a nucleossíntese estelar convencional cessa na produção de ferro, por outro, a formação de elementos mais massivos depende de cenários cósmicos muito mais extremos”, explicou Santos.

Segundo ele, esse mecanismo ocorre em eventos astrofísicos cataclísmicos, como as supernovas de colapso de núcleo, que são explosões violentíssimas de estrelas muito massivas, e em kilonovas, que são resultado do merge (fusão) entre estrelas de nêutrons ou entre estrelas de nêutrons e buracos negros, levando ao violento choque entre os cadáveres estelares mais densos do universo, criando um disco de matéria rotacionando em altíssima velocidade.

“A primeira vez que a humanidade conseguiu observar uma kilonova foi em 2017, por meio do evento GW170817. Pela primeira vez na história, os astrônomos conseguiram detectar tanto ondas gravitacionais da colisão, quanto a radiação eletromagnética emitida”, disse o professor. “Essa conquista abriu as portas para o que chamamos hoje de Astronomia Multimensageira, um campo da astrofísica que combina, de forma integrada, sinais de ondas gravitacionais, neutrinos, raios cósmicos e radiação eletromagnética para investigar os fenômenos mais violentos do universo.”

Ainda conforme Santos, nesses ambientes os núcleos atômicos são bombardeados por uma quantidade massiva de nêutrons em frações de segundo. Quando esse fluxo extremo de nêutrons cessa, os núcleos altamente instáveis gerados precisam encontrar um caminho de volta à estabilidade.

“É aí que entra o decaimento beta negativo, um processo governado pela interação nuclear fraca em que um quark down do nêutron transmuta num quark up, transformando um nêutron num próton, emitindo um lépton, que nesse caso é o elétron, e um antilépton, que nesse caso é uma partícula chamada antineutrino, que é a contraparte de antimatéria do neutrino. A forma como esses neutrinos e antineutrinos interagem com os núcleos atômicos dita o ritmo de todo o processo”, acrescentou.

O professor destacou também que a contribuição científica do estudo publicado foi o refinamento físico-matemático desse decaimento através do cálculo das chamadas “primeiras transições proibidas”, que são transições quânticas dentro do modelo intitulado Gross Theory of Beta Decay (GTBD).

“Apesar do nome 'proibidas', essas transições não são impossíveis, elas apenas têm menor probabilidade de ocorrer em núcleos comuns”, prosseguiu ele. “No entanto, em núcleos exóticos e ricos em nêutrons, fundamentais para o processo r, essas transições 'competem' diretamente com as permitidas e podem até dominar o processo, alterando drasticamente o tempo de vida do núcleo.”

Parcerias

O trabalho é fruto de colaboração científica nacional entre físicos nucleares, pesquisadores membros do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia: Física Nuclear e Aplicações, unindo a Ufac ao Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, à Universidade Estadual Paulista e à Universidade Estadual de Santa Cruz.

Santos contou que o grupo de físicos nucleares demonstrou que a inclusão dessas transições reduz significativamente os erros nas previsões teóricas de tempo de vida dos núcleos atômicos, aproximando os modelos matemáticos dos dados experimentais existentes na literatura.  

Ao incorporar essas transições e interações detalhadas no modelo estatístico GTBD, os pesquisadores conseguiram reproduzir com precisão os dados experimentais de núcleos conhecidos como waiting points (pontos de espera), que são nuclídeos específicos em uma cadeia de reações nucleares onde o fluxo de criação dos elementos mais massivos é temporariamente interrompido ou desacelerado, ditando o ritmo da receita química de como o universo sintetiza os elementos pesados.

“Este é um esforço conjunto de alguns anos de pesquisa, que demonstra a importância da colaboração entre instituições públicas para o ensino, a pesquisa e a extensão”, concluiu o professor.