O que acontece no interior de uma estrela durante uma explosão depende de uma enorme rede de reações nucleares que ocorre em condições extremas. Muitas dessas reações, porém, são difíceis de reproduzir em laboratório e suas taxas precisam ser estimadas teoricamente. Isso introduz incertezas nos modelos utilizados para explicar tanto as explosões quanto os elementos químicos produzidos nesses ambientes.
Dois novos estudos publicados separadamente na Physical Review Letters conseguiram medir experimentalmente processos importantes em dois cenários distintos: supernovas e explosões de raios X em sistemas com estrelas de nêutrons.
Os resultados não tratam do mesmo tipo de explosão, mas atacam um problema em comum: determinar com maior precisão como determinadas reações nucleares influenciam aquilo que os astrônomos conseguem observar.
No primeiro trabalho, os pesquisadores investigaram a produção de titânio-44, um isótopo radioativo sintetizado durante algumas explosões de supernova.
Esse elemento é particularmente importante porque não desaparece imediatamente após a explosão. Seus produtos de decaimento produzem radiação que pode ser detectada posteriormente, permitindo que os astrônomos comparem a quantidade observada com aquela prevista pelos modelos de explosões estelares.
Para fazer essa comparação corretamente, é necessário conhecer as reações nucleares responsáveis por produzir e destruir o titânio-44 nas condições extremas de uma supernova.
Pesquisadores da Universidade de Surrey realizaram, no Laboratório Nacional de Argonne, nos Estados Unidos, uma medição experimental relacionada a uma das reações que controla quanto titânio-44 permanece após a explosão.
O resultado mostrou uma diferença importante em relação às estimativas anteriores: a reação ocorre mais lentamente do que se acreditava.
Com menos titânio-44 sendo consumido por esse processo, os cálculos indicam que uma supernova pode produzir uma quantidade final até 35% maior desse isótopo do que determinados modelos previam anteriormente.
A mudança fornece aos pesquisadores um parâmetro experimental mais preciso para incorporar às simulações. Isso permitirá comparar melhor os modelos com as quantidades de titânio-44 detectadas em remanescentes de supernovas.
Em outras palavras, um elemento radioativo produzido durante a explosão funciona como uma espécie de registro das condições nucleares encontradas naquele momento.
O segundo estudo investigou um processo bastante diferente.
Explosões de raios X do tipo I podem ocorrer em sistemas binários nos quais uma estrela de nêutrons retira matéria de uma estrela companheira. Esse material se acumula sobre a superfície extremamente densa da estrela de nêutrons até atingir condições capazes de desencadear uma sequência explosiva de reações termonucleares.
Ao contrário de uma supernova, que destrói ou transforma profundamente a estrela progenitora, essas explosões podem se repetir à medida que novo material volta a se acumular.
Durante esses episódios, diferentes núcleos atômicos são transformados em uma cadeia de reações que produz elementos progressivamente mais pesados. Um dos pontos que ainda gerava incerteza envolvia o chamado ciclo níquel-cobre.
Dependendo da velocidade das reações envolvidas, parte do material nuclear pode permanecer temporariamente presa nesse ciclo. Saber quanto material segue esse caminho é importante porque o processo pode interferir na maneira como a energia da explosão é liberada.
Utilizando a Instalação de Feixes de Isótopos Raros, nos Estados Unidos, os pesquisadores conseguiram medir uma reação associada a esse processo com precisão muito maior.
Segundo o estudo, a incerteza sobre o comportamento da reação foi reduzida em mais de dez vezes.
Os novos dados indicam que o material realmente pode ficar temporariamente retido no ciclo níquel-cobre, mas provavelmente apenas uma pequena fração dele segue esse caminho.
Mesmo assim, o processo é suficiente para exercer influência sobre a curva de luz das explosões de raios X, isto é, sobre a maneira como seu brilho aumenta e diminui ao longo do tempo.
Essa relação é especialmente útil porque a curva de luz é justamente uma das informações que os telescópios conseguem medir. Quanto mais precisas forem as reações nucleares inseridas nos modelos, melhor será a comparação entre as explosões simuladas e aquelas observadas no espaço.
Os dois trabalhos mostram como experimentos realizados na Terra podem ajudar a interpretar acontecimentos que não podem ser reproduzidos integralmente em laboratório.
No caso das supernovas, uma nova medição modifica a quantidade prevista de um isótopo radioativo que os astrônomos conseguem procurar nos remanescentes dessas explosões.
Nas explosões de raios X, a redução da incerteza de uma reação ajuda a determinar como um ciclo nuclear interfere na evolução do brilho observado.
Essas medições também são importantes para compreender a nucleossíntese, o conjunto de processos responsáveis pela formação de novos núcleos atômicos em ambientes astrofísicos.
Quanto melhor forem conhecidas as taxas dessas reações, menor será a dependência de estimativas teóricas nas simulações e mais rigorosamente os modelos poderão ser confrontados com aquilo que os telescópios realmente observam.
Os resultados representam, portanto, duas novas peças de um problema muito maior: compreender a física nuclear que atua nos ambientes mais extremos do Universo e determinar como esses processos participam da produção e transformação dos elementos químicos.
Sobre a Imagem: Representação artística de uma explosão estelar. Uma ilustração de uma poderosa explosão estelar. Eventos desse tipo podem liberar, em pouco tempo, enormes quantidades de energia e espalhar pelo espaço elementos químicos produzidos pela estrela. Créditos da Imagem: Pixabay/CC0 Domínio Público
Link dos Estudos: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9zv2-wlkl
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gbbj-hpqk