De onde vem o ouro do universo? Buracos negros podem ter a resposta

Observações indicam que buracos negros orbitados por um disco de acreção de matéria densa e quente poderiam estar ligados à origem de elementos químicos pesados como ouro e urânio

Material rico em nêutrons é ejetado do disco de acreção, permitindo o rápido processo de captura de nêutrons (processo r). A região em azul claro é uma ejeção particularmente rápida de matéria, chamada de jato, que normalmente se origina paralelamente ao eixo de rotação do disco. Crédito: NRAO, EUA

Como os elementos químicos são produzidos em nosso universo? De onde vêm os elementos pesados ​​como ouro e urânio? Usando simulações de computador, uma equipe de pesquisa do Centro Helmholtz de Pesquisas sobre Íons Pesados (GSI) em Darmstadt, na Alemanha, junto com colegas da Bélgica e do Japão, mostra que a síntese de elementos pesados ​​é típica para certos buracos negros com acumulações de matéria orbitando, os chamados discos de acreção. Os resultados foram publicados na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

A abundância prevista dos elementos formados fornece uma visão sobre quais elementos pesados ​​precisam ser estudados em novos laboratórios – como o Facility for Antiproton and Ion Research (Fair), que está atualmente em construção – para desvendar a origem dos elementos pesados.

Todos os elementos pesados ​​da Terra hoje foram formados sob condições extremas em ambientes astrofísicos: dentro das estrelas, em explosões estelares e durante colisões de estrelas de nêutrons. Os pesquisadores estão intrigados com a questão de em quais desses eventos astrofísicos existem as condições apropriadas para a formação dos elementos mais pesados, como ouro ou urânio.

Questão em aberto

A primeira observação espetacular de ondas gravitacionais e radiação eletromagnética originada de uma fusão de estrelas de nêutrons em 2017 sugeriu que muitos elementos pesados ​​podem ser produzidos e liberados nessas colisões cósmicas. No entanto, a questão permanece em aberto sobre quando e por que o material é ejetado e se pode haver outros cenários em que elementos pesados ​​podem ser produzidos.

Candidatos promissores para a produção de elementos pesados ​​são os buracos negros orbitados por um disco de acreção de matéria densa e quente. Tal sistema é formado após a fusão de duas estrelas de nêutrons massivas e durante o chamado collapsar, o colapso e a explosão subsequente de uma estrela em rotação.

A composição interna de tais discos de acreção não foi bem compreendida até agora, particularmente no que diz respeito às condições sob as quais um excesso de nêutrons se forma. Um alto número de nêutrons é um requisito básico para a síntese de elementos pesados, pois permite o processo de captura rápida de nêutrons ou processo r. Neutrinos quase sem massa desempenham um papel fundamental nesse processo, pois permitem a conversão entre prótons e nêutrons.

Riqueza de nêutrons

“Em nosso estudo, investigamos sistematicamente pela primeira vez as taxas de conversão de nêutrons e prótons para um grande número de configurações de disco por meio de elaboradas simulações de computador, e descobrimos que os discos são muito ricos em nêutrons, desde que certas condições sejam satisfeitas”, explicou o dr. Oliver Just, do grupo de Astrofísica Relativística da Teoria da Divisão de Pesquisa do GSI. “O fator decisivo é a massa total do disco. 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.”

Just prosseguiu: “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.”

Como mostra o estudo, a massa de disco ótima para a produção prolífica de elementos pesados ​​é de cerca de 0,01 a 0,1 da massa solar. O resultado fornece fortes evidências de que fusões de estrelas de nêutrons produzindo discos de acreção com essas massas exatas podem ser o ponto de origem para uma grande fração dos elementos pesados. No entanto, se e com que frequência tais discos de acreção ocorrem em sistemas de collapsars ainda não está claro.

Dados ainda insuficientes

Além dos possíveis processos de ejeção de massa, o grupo de pesquisa liderado pelo dr. Andreas Bauswein também investiga os sinais de luz gerados pela matéria ejetada. Eles serão usados ​​para inferir a massa e a composição da matéria ejetada em futuras observações de colisões de estrelas de nêutrons.

Um bloco de construção importante para a leitura correta desses sinais de luz é o conhecimento preciso das massas e de outras propriedades dos elementos recém-formados. “Esses dados são insuficientes atualmente. Mas com a próxima geração de aceleradores, como o Fair, será possível medi-los com uma precisão sem precedentes no futuro”, prevê Bauswein. “A interação bem coordenada de modelos teóricos, experimentos e observações astronômicas permitirá a nós, pesquisadores, testar nos próximos anos fusões de estrelas de nêutrons como a origem dos elementos do processo r.”

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