Os cientistas relataram um grande avanço experimental na compreensão de como alguns dos elementos mais raros do universo se formam. Esses átomos incomuns, conhecidos como núcleos p, são isótopos ricos em prótons, mais pesados que o ferro, que há muito intrigam os pesquisadores.
A nova pesquisa, liderada por Artemis Santiri, que conduziu o trabalho como estudante de pós-graduação no Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) e agora é pós-doutorado na Universidade de Regina, no Canadá, alcançou um marco. Pela primeira vez, os investigadores mediram diretamente como o arsénico-73 captura um protão para formar selénio-74 utilizando um raro feixe de isótopos. Este resultado estabelece novos limites sobre como os núcleos p mais leves são criados e destruídos no espaço.
Os resultados são publicados Carta de revisão física (Limitando a fusão ao núcleo 𝑝 mais leve 74esse
Por que alguns elementos permanecem um mistério
Um objetivo principal da astrofísica nuclear é entender de onde vêm os elementos. Muitos elementos mais pesados que o ferro são formados por processos lentos e rápidos de captura de nêutrons. Nessas reações, os núcleos atômicos absorvem repetidamente nêutrons e depois sofrem decaimento radioativo até atingirem uma forma estável.
No entanto, esta explicação não se aplica a um grupo particular de isótopos ricos em prótons. Esses núcleos p não podem ser produzidos por captura de nêutrons. Eles variam do selênio-74, o mais leve, ao mercúrio-196, o mais pesado, e suas origens permaneceram obscuras durante décadas.
Explosões de supernovas e raios gama
Uma explicação importante para a criação de núcleos p é o processo gama, que ocorre em certos tipos de explosões de supernovas. Neste ambiente extremo, o calor intenso produz raios gama que retiram nêutrons e outras partículas dos núcleos pesados existentes.
Após este processo, o núcleo restante contém 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 núcleos-p.
Muitos dos isótopos envolvidos neste processo têm vida curta e são difíceis de produzir em laboratório. Por causa disso, os cientistas tiveram que confiar mais em modelos teóricos do que em medições diretas.
“Embora a origem dos núcleos p tenha sido objeto de estudo há mais de 60 anos, as medições de reações críticas de isótopos de vida curta são quase inexistentes”, disse Santiri. “Tais experimentos agora só são possíveis com instalações como o FRIB.”
Recriando uma reação estelar no laboratório
Neste estudo, os pesquisadores recriaram com sucesso uma etapa fundamental do processo, observando pela primeira vez a captura de prótons no arsênico-73 radioativo. Para fazer isso, eles criaram um feixe de arsênico-73 especificamente para o experimento e o direcionaram para uma câmara cheia de gás hidrogênio. O hidrogênio serve como fonte de prótons e está localizado no centro do detector Summing Null (SuN).
A equipe produziu arsênico-73 usando o acelerador ReA do FRIB, que operou em uma configuração independente, em vez de depender do acelerador linear principal. O grupo de radioquímica liderado por Katharina Domnanich preparou o material em forma adequada para uso em experimentos. O isótopo foi então colocado em uma fonte de íons em lote, onde foi ionizado, acelerado a alta energia e entregue ao alvo. Esta configuração demonstrou a flexibilidade do ReA para produzir e estudar isótopos raros.
Rastreando como o selênio-74 é formado e destruído
Durante a reação, o arsênico-73 absorve um próton e se transforma em selênio-74 no estado excitado. Em seguida, emite um raio gama para atingir um estado estável. Os investigadores concentraram-se no feedback inverso porque desempenha um papel fundamental no processo gama dentro das estrelas. Ao medir a reação direta, eles podem determinar a rapidez com que ocorre o processo reverso.
Para compreender a quantidade de selénio-74 existente no sistema solar, os cientistas devem considerar tanto a sua criação como a sua destruição. Uma das maiores incertezas restantes é a frequência com que o selênio-74 é decomposto pelos raios gama durante explosões estelares.
Modelos avançados, mas novas questões permanecem
Quando os investigadores incorporaram as suas medições em modelos astrofísicos, reduziram para metade a incerteza na abundância prevista de selénio-74. Isto marca um avanço significativo na compreensão de como este isótopo é produzido.
Contudo, os modelos atualizados ainda não correspondem integralmente ao que se observa na natureza. Esta 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 da origem de alguns dos isótopos mais raros do Universo,” disse Artemis Spiro, professor de física na FRIB e no Departamento de Física e Astronomia da Universidade Estatal de Michigan, conselheiro de investigação de Santiri e principal arquitecto da experiência. “O trabalho de Santiri é um excelente exemplo da colaboração multidisciplinar necessária para o avanço da área e das oportunidades de desenvolvimento profissional para pesquisadores em início de carreira no FRIB.”
Cooperação e apoio
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Escritório de Ciência de Física Nuclear do Departamento de Energia dos EUA; Fundação Nacional de Ciência dos EUA; Administração Nacional de Segurança Nuclear dos EUA; e o Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá.
O(s) isótopo(s) utilizado(s) neste estudo foram fornecidos pelo Programa de Isótopos do Departamento de Energia dos EUA, gerenciado pelo Escritório de P&D e Produção de Isótopos.
