Os cientistas relatam um progresso experimental significativo na compreensão de como alguns dos elementos mais raros do universo se formaram. Esses átomos incomuns, chamados núcleos de plutônio, são isótopos ricos em prótons, mais pesados que o ferro, e há muito intrigam os pesquisadores.
A nova pesquisa, liderada por Artemis Tsantiri, estudante de pós-graduação no Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) e agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Regina, no Canadá, alcançou resultados marcantes. Pela primeira vez, os investigadores usaram um feixe de isótopos raros para medir diretamente o processo pelo qual o arsénico-73 captura protões para formar o selénio-74. Os resultados colocam novas restrições sobre como os núcleos p mais leves são criados e destruídos no espaço.
Os resultados da pesquisa foram publicados em Cartas de revisão física (“Restrições à síntese dos núcleos mais leves 74Se”), envolvendo mais de 45 cientistas de 20 instituições dos Estados Unidos, Canadá e Europa.
Por que alguns elementos permanecem um mistério
Um objetivo principal da astrofísica nuclear é compreender a origem dos elementos. Muitos elementos mais pesados que o ferro foram formados através de processos lentos e rápidos de captura de nêutrons. Nessas reações, o núcleo absorve repetidamente nêutrons e depois sofre decaimento radioativo até atingir uma forma estável.
No entanto, esta explicação não se aplica a um grupo especial de isótopos ricos em prótons. Esses núcleos p não podem ser produzidos por captura de nêutrons. Eles variam do mais leve, o selênio 74, ao mais pesado, o mercúrio 196, e suas origens permaneceram obscuras por décadas.
Explosões de supernovas e processos gama
Uma explicação importante para a geração de núcleos p é o processo gama, que ocorre em certos tipos de explosões de supernovas. Nestes ambientes extremos, o calor intenso produz raios gama que retiram nêutrons e outras partículas dos núcleos pesados existentes.
Após este processo, os núcleos restantes contêm mais prótons do que nêutrons. Com o tempo, alguns desses núcleos convertem prótons em nêutrons, movendo-se em direção a um equilíbrio mais estável e eventualmente formando p núcleos.
Muitos dos isótopos envolvidos neste processo têm vida curta e são difíceis de produzir em laboratório. Como resultado, os cientistas têm de confiar fortemente em modelos teóricos, em vez de medições diretas.
“Embora a origem dos núcleos p tenha sido objeto de investigação há mais de 60 anos, as medições de reações importantes com isótopos de vida curta são quase inexistentes”, disse Tsantiri. “Atualmente, tais experimentos só são possíveis com instalações como o FRIB.”
Recriando reações estelares em laboratório
Neste estudo, os pesquisadores reproduziram com sucesso uma etapa fundamental do processo, observando pela primeira vez a captura de prótons no arsênico-73 radioativo. Para fazer isso, eles geraram um feixe de arsênico 73 especificamente para o experimento e o direcionaram para uma câmara cheia de gás hidrogênio. O gás hidrogênio serve como fonte de prótons no centro do detector Summing Nal (SuN).
A equipe produziu arsênico-73 usando o acelerador ReA do FRIB, que opera em uma configuração autônoma, em vez de depender do acelerador linear principal. O grupo de radioquímica liderado por Katharina Domnanich preparou materiais adequados para uso experimental. O isótopo é então colocado em uma fonte de íons em lote, onde é ionizado, acelerado a alta energia e entregue ao alvo. O dispositivo demonstra a flexibilidade da ReA na produção e estudo de isótopos raros.
Rastreando como o Selênio-74 é formado e destruído
Durante a reação, o arsênico 73 absorve um próton e se torna o estado excitado do selênio 74. Em seguida, libera raios gama para atingir um estado estável. Os investigadores concentraram-se na reação inversa porque ela desempenha um papel fundamental nos processos gama no interior das estrelas. Ao medir a reação direta, eles podem determinar a rapidez com que ocorre o processo inverso.
Para compreender a quantidade de selénio-74 presente no sistema solar, os cientistas devem considerar a sua criação e destruição. Uma das maiores incertezas restantes é a frequência com que o selênio-74 é decomposto pelos raios gama durante explosões estelares.
Modelo melhorou, mas novos problemas persistem
Quando os investigadores incorporaram as suas medições num modelo astrofísico, reduziram para metade a incerteza na abundância prevista de selénio-74. Isso marca um grande avanço na compreensão de como esse isótopo é produzido.
Mesmo assim, o modelo atualizado ainda não corresponde totalmente ao observado na natureza. A lacuna sugere que os cientistas podem precisar de refinar as suas suposições sobre as condições dentro das explosões de supernovas.
“Estes resultados aproximam-nos um passo da compreensão das origens de alguns dos isótopos mais raros do Universo,” disse Artemis Spyrou, professor de física na FRIB e no Departamento de Física e Astronomia da MSU, conselheiro de investigação de Tsantiri e designer original da experiência. “O trabalho de Tsantiri é um grande exemplo da colaboração multidisciplinar necessária para avançar no campo e é um grande exemplo do que o FRIB está trazendo para a mesa.”
Colaboração e suporte
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Escritório de Física Nuclear, Escritório de Ciência, Departamento de Energia dos EUA; a Fundação Nacional de Ciência dos EUA; a Administração Nacional de Segurança Nuclear dos EUA; e o Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá.
Os isótopos utilizados neste estudo foram fornecidos pelo Programa de Isótopos do Departamento de Energia dos EUA e são gerenciados pelo Escritório de Pesquisa, Desenvolvimento e Produção de Isótopos.
