Cientistas recriam uma reação cósmica rara nunca antes observada.

Cientistas mediram directamente a reacção que gera uma forma rara e difícil de explicar de selénio, registando pela primeira vez uma etapa invulgar que, durante muito tempo, se pensou ocorrer no interior de estrelas em explosão.

Esta descoberta ajuda a apertar uma das pontas soltas mais antigas da astrofísica, ao mesmo tempo que evidencia um vazio ainda maior na forma como os investigadores explicam a formação de elementos raros.

Dentro do detector

Numa câmara cheia de hidrogénio na Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), na Michigan State University, uma forma rara de arsénio encontrou as condições necessárias para se transformar numa forma rara de selénio.

Artemis Tsantiri e colegas registaram a transformação quando o arsénio-73 capturou um protão e se tornou selénio-74.

Durante anos, este mesmo passo foi um dos pontos menos certos da narrativa, porque não existia uma medição directa que o confirmasse.

Agora que a reacção foi medida, o mistério ficou mais circunscrito e a discrepância que resta exige uma explicação mais abrangente.

Porque é que o selénio se destaca

O selénio-74 integra a pequena família dos p-núcleos, versões ricas em protões de elementos que as vias habituais, baseadas na incorporação de neutrões, tendem a ignorar.

A maioria dos elementos pesados cresce quando os núcleos absorvem neutrões e, mais tarde, estabilizam por decaimento radioactivo até formas estáveis.

Esse “guião” típico de construção com neutrões deixa o selénio-74 de fora, tornando-o o membro mais leve de um grupo raro que os cientistas discutem há décadas.

Como está colocado de forma pouco comum no quadro dos elementos, qualquer medição directa do selénio-74 é especialmente valiosa, porque as etapas em falta têm sido difíceis de testar.

Calor no interior das supernovas

Uma explicação preferida coloca a formação do selénio-74 no chamado processo-gama, uma cadeia de fragmentações nucleares impulsionadas por luz em estrelas sobreaquecidas.

Nesse ambiente, raios gama muito energéticos arrancam neutrões e outras partículas de núcleos mais antigos, empurrando a matéria na direcção de formas mais ricas em protões.

Depois, alguns desses produtos instáveis convertem um protão num neutrão e sobrevivem como os isótopos pouco comuns que observamos.

O problema começa porque muitos dos núcleos ao longo desse trajecto desaparecem rapidamente, o que manteve as taxas de reacção cruciais sobretudo no domínio da teoria.

Construir o feixe

Para realizar a experiência, a equipa teve primeiro de produzir o próprio arsénio-73, um material instável que raramente está disponível para testes directos.

Químicos prepararam o isótopo e, em seguida, engenheiros ionizaram-no, aceleraram-no e encaminharam-no para gás hidrogénio no centro do detector.

A FRIB conseguiu fazê-lo porque o seu acelerador secundário pode operar de forma autónoma, e não apenas como parte do equipamento principal.

Essa independência é importante muito para além do selénio, já que outros núcleos de vida curta podem agora ser preparados para experiências que antes eram dadas como impraticáveis.

Energia libertada num instante

Após a captura do protão, o novo selénio-74 ficou com energia excedentária e libertou-a rapidamente sob a forma de radiação gama.

Esse clarão de gama permitiu ao detector contar com que frequência a reacção ocorria, dando à equipa uma forma de determinar a taxa.

Os astrofísicos interessam-se especialmente pela etapa inversa, de destruição, porque fotões intensos em estrelas em explosão podem fragmentar o selénio-74.

Ao medir em laboratório a reacção no sentido directo, os investigadores conseguiram fixar melhor esse processo inverso, mais difícil de observar, que ocorre nas estrelas.

Afinar a intensidade da reacção

Antes deste resultado, os cálculos padrão permitiam que a intensidade da reacção variasse dentro de um intervalo muito amplo de valores possíveis.

Uma medição a energia mais elevada serviu de âncora forte para reduzir essa dispersão, embora um ponto a energia mais baixa continuasse ruidoso.

Quando a equipa inseriu a taxa agora limitada em simulações de supernovas, a incerteza na abundância de selénio-74 desceu cerca de metade.

Valores mais limpos não resolveram tudo, mas retiraram um dos argumentos preferidos para justificar por que motivo os modelos divergiam.

A discrepância mantém-se

Mesmo com dados mais claros, os modelos de supernovas do Tipo II continuam a produzir selénio-74 em excesso face ao registo do Sistema Solar.

Em vez disso, a discrepância deverá estar, pelo menos em parte, nas condições iniciais do cenário estelar, como a temperatura, a densidade ou a mistura de núcleos de partida.

Segundo os investigadores, a física nuclear, por si só, não conseguiria eliminar esse excesso - uma conclusão que volta a focar a atenção na própria explosão.

Ao remover de forma tão evidente uma incerteza, os problemas que restam nos modelos de supernovas tornaram-se mais difíceis de ignorar.

Testar reacções estelares adicionais ligadas ao selénio-74

Mais de 45 cientistas de 20 instituições participaram no esforço, reflectindo o quão exigentes continuam a ser as medições com átomos de vida curta.

“Even though the origin of the p-nuclei has been a topic of study for over 60 years, measurements of important reactions on short-lived isotopes are almost non-existent,” said Tsantiri.

O investigador sublinhou que experiências deste tipo só recentemente se tornaram viáveis, graças a infra-estruturas avançadas como a FRIB.

As implicações vão além deste isótopo, porque as mesmas ferramentas permitem agora testar outras reacções estelares que antes ficavam entregues apenas à teoria.

Direcções futuras de investigação

Com este resultado disponível, os investigadores podem avançar para reacções vizinhas que moldam outros elementos raros ricos em protões.

Cada medição directa substitui um espaço preenchido por teoria por dados, tornando as histórias de origem estelar menos dependentes de suposições e mais assentes em física testável.

A FRIB foi construída exactamente para este tipo de trabalho, recorrendo a núcleos de vida curta que quase nunca permanecem tempo suficiente para serem estudados.

À medida que mais dessas reacções forem medidas, os astrónomos deverão conseguir perceber com maior firmeza que explosões forjaram, de facto, os isótopos mais raros.

A experiência mostrou que uma etapa nuclear em falta podia finalmente ser medida na Terra, e essa precisão alterou aquilo que os modelos podem afirmar.

Ainda assim, a discrepância que sobra mantém vivo o mistério maior, apontando os cientistas para melhores condições de supernova e mais testes directos. O estudo foi publicado na Physical Review Letters.