Buracos negros podem estar produzindo ouro inadvertidamente, dizem astrofísicos

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Impressão artística de um disco de acreção de um buraco negro. Créditos: Mark Garlick / Science Photo Library / Getty Images.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

O Universo pode ter mais maneiras de forjar elementos pesados ​​do que pensamos.

A criação de metais como ouro, prata, tório e urânio requer condições energéticas, como uma explosão de supernova ou uma colisão entre estrelas de nêutrons.

No entanto, um novo estudo mostra que esses elementos podem se formar no caos que envolve um buraco negro recém-nascido ativo, que engole a poeira e o gás do espaço ao seu redor.

Nesses ambientes extremos, a alta taxa de emissão de neutrinos deve facilitar a conversão de prótons em nêutrons – resultando em um excesso deste último, necessário para o processo que produz elementos pesados.

“Em nosso estudo, investigamos sistematicamente pela primeira vez as taxas de conversão de nêutrons e prótons para um grande número de configurações de discos de acreção por meio de elaboradas simulações de computador e descobrimos que os discos são muito ricos em nêutrons, desde que certas condições sejam favoráveis”, disse o astrofísico Oliver Just, do Centro de Pesquisa de Íons Pesados – GSI Helmholtz, na Alemanha.

No início, após o Big Bang, não havia muitos elementos flutuando no espaço. Até que as estrelas nasceram e começaram a esmagar núcleos atômicos em seus núcleos, o Universo era uma sopa composta principalmente de hidrogênio e hélio.

A fusão nuclear estelar imbuiu o cosmos com elementos mais pesados, desde o carbono até o ferro para as estrelas mais massivas, semeados através do espaço quando as estrelas morriam.

Mas é no ferro que a fusão do núcleo encontra um obstáculo. O calor e a energia necessários para produzir ferro por meio da fusão excedem a energia gerada pelo processo, fazendo com que a temperatura central caia, o que por sua vez resulta na morte da estrela em uma explosão espetacular – a supernova.

É aquela explosão espetacular (e os kabum de estrelas de nêutrons em colisão) que podemos ter a conversão dos prótons para o nêutrons.

Isso é chamado de processo de captura rápida de nêutrons, ou processo r; precisa acontecer muito rapidamente, para que o decaimento radioativo não tenha tempo de ocorrer antes que mais nêutrons sejam adicionados ao núcleo.

Não está claro se existem outros cenários em que o processo r pode ocorrer, mas os buracos negros recém-nascidos são um candidato promissor. Ou seja, quando duas estrelas de nêutrons se fundem, e sua massa combinada é suficiente para levar o objeto recém-formado para a categoria de buraco negro.

Os colapsares são outra possibilidade: o colapso gravitacional do núcleo de uma estrela massiva em um buraco negro de massa estelar.

Em ambos os casos, acredita-se que o buraco negro bebê seja cercado por um anel de material denso e quente, girando em torno do buraco negro e alimentando-o, como água escorrendo por um ralo. Nesses ambientes, os neutrinos são emitidos em abundância, e os astrônomos há muito tempo levantaram a hipótese de que a nucleossíntese de captura no processo r poderia estar ocorrendo como resultado.

Just e seus colegas realizaram um extenso conjunto de simulações para determinar se esse é realmente o caso. Eles variaram a massa e o spin do buraco negro, e a massa do material ao seu redor, bem como o efeito de diferentes parâmetros nos neutrinos. Eles descobriram que, se as condições forem adequadas, a nucleossíntese do processo r pode ocorrer nesses ambientes.

“O fator decisivo é a massa total do disco”, disse Just. “Quanto mais massivo o disco, mais frequentemente nêutrons são formados a partir de prótons por meio da captura de elétrons sob emissão de neutrinos, e estão disponíveis para a síntese de elementos pesados ​​por meio do processo r. No entanto, se a massa do disco for muito alta, a reação inversa desempenha um papel maior, de modo que mais neutrinos são recapturados pelos nêutrons antes de saírem do disco. Esses nêutrons são então convertidos de volta em prótons, o que dificulta o processo r”.

Este ponto ideal em que os elementos pesados ​​são produzidos de forma mais prolífica é uma massa de disco entre 1 e 10 por cento da massa do Sol. Isso significa que as fusões de estrelas de nêutrons com massas de disco nesta faixa podem ser fábricas de elementos pesados. Como não se sabe o quanto os discos de colapsares são comuns, o júri ainda está em aberto para os colapsares, disseram pesquisadores.

O próximo passo será determinar como a luz emitida pela colisão de uma estrela de nêutrons pode ser usada para calcular a massa de seu disco de acreção.

“Esses dados são insuficientes atualmente. Mas com a próxima geração de aceleradores, como a Unidade para Pesquisa de Antiprótons e Íons (FAIR, na sigla em inglês), será possível medi-los com uma precisão sem precedentes no futuro”, disse o astrofísico Andreas Bauswein, do Centro de Pesquisa de Íons Pesados – GSI Helmholt. “A interação bem coordenada de modelos teóricos, experimentos e observações astronômicas permitirá nos próximos anos nós testarmos fusões de estrelas de nêutrons como a origem dos elementos do processo r”.

A pesquisa foi publicada nos Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.