A luz do Sol é devido à fusão nuclear, que converte principalmente hidrogênio em hélio. No entanto, as estrelas podem passar por processos adicionais, criando elementos muito mais pesados ​​que isso. Crédito de imagem: NASA / SDO.

60 anos de Starstuff

Como a humanidade descobriu de onde vêm nossos elementos.

Este artigo foi escrito pelo físico Paul Halpern, da Universidade das Ciências da Pensilvânia. Paul é autor do novo livro The Quantum Labyrinth: How Richard Feynman e John Wheeler revolucionaram o tempo e a realidade.

“Você não poderia estar aqui se as estrelas não tivessem explodido, porque os elementos - carbono, nitrogênio, oxigênio, ferro, todas as coisas importantes para a evolução e a vida - não foram criados no começo dos tempos. Eles foram criados nos fornos nucleares das estrelas, e a única maneira de entrarem em seu corpo é se essas estrelas tiverem a gentileza de explodir ... ”- Lawrence Krauss

Na ciência, você não precisa acertar tudo para corrigir as coisas mais incríveis. Às vezes, boas idéias emergem de um paradigma fracassado. Um excelente exemplo de ambos é o trabalho inovador de nucleossíntese estelar (criação de núcleos complexos a partir de núcleos mais simples), publicado em 1957, conhecido simplesmente como B2FH, após as iniciais dos quatro autores. Pela primeira vez, ofereceu um modelo bem-sucedido de formação de elementos. Ele foi projetado para evitar a necessidade de um Big Bang e para apoiar uma explicação alternativa chamada teoria do estado estacionário. Hoje, enquanto a teoria do estado estacionário é uma relíquia do passado, a nucleossíntese estelar complementa a teoria do Big Bang em uma explicação abrangente e bem-sucedida de como todos os elementos do universo foram construídos a partir de partículas elementares.

É um fato curioso da história que, pela primeira vez em que um astrônomo usou o termo “Big Bang” para descrever os estágios iniciais do Universo, ele quis dizer isso de forma irônica. O pesquisador de Cambridge Fred Hoyle (o "H" no artigo principal), que cunhou a expressão em uma entrevista de rádio da BBC em 1948, pensou na ideia de toda a matéria do universo emergindo de uma só vez, como a explosão repentina de uma piñata cósmica colossal, ser patentemente ridículo.

Fred Hoyle participou regularmente de programas de rádio da BBC nas décadas de 1940 e 1950 e uma das figuras mais influentes no campo da nucleossíntese estelar. Crédito da imagem: British Broadcasting Company.

Enquanto ele acreditava em um cosmos em expansão, ele pensou que duraria para sempre em um estado estacionário de quase semelhança, com uma lenta gota de matéria fresca preenchendo as lacunas - semelhante a um alfaiate que adiciona novos botões a um terno alterado para uma criança em crescimento.

No Big Bang, o Universo em expansão faz com que a matéria se dilua ao longo do tempo, enquanto na Teoria do Estado Estável, a criação contínua de matéria garante que a densidade permaneça constante ao longo do tempo. Crédito da imagem: E. Siegel.

Um dos principais problemas do esquema Steady State de Hoyle, co-desenvolvido com Thomas Gold e Herman Bondi, foi explicar como as partículas frias e elementares gradualmente infiltradas no espaço poderiam se transformar em elementos superiores. Nesse domínio, a teoria do Big Bang, a princípio, alegou ter todas as respostas. George Gamow, junto com seu aluno Ralph Alpher, pretendia explicar a totalidade da criação de elementos através da nucleossíntese do Big Bang. Ou seja, eles argumentaram que o caldeirão ardente do Big Bang forjou todos os elementos químicos naturais, do hidrogênio ao urânio, a partir dos blocos mais simples de prótons e nêutrons. Eles publicaram seu trabalho em um artigo-chave "Origem dos elementos químicos", publicado em abril de 1948.

George Gamow, de pé (com cano) à direita, no Laboratório Bragg em 1930/1931. Crédito da imagem: Serge Lachinov.

Gamow tinha um maravilhoso senso de humor e adorava fazer piadas práticas. Observando que o nome de Alpher e o dele se assemelhavam à primeira e terceira letras do alfabeto grego alfa e gama, quando ele submeteu o artigo, ele decidiu adicionar o nome do físico Hans Bethe, que parecia beta, como segundo autor. Bethe não tinha quase nada a ver com o jornal. No entanto, ele era um especialista em nucleossíntese, então a ideia não era tão louca quanto parecia. Portanto, o artigo seminal é universalmente conhecido como o papel alfa-beta-gama. (Quando outro aluno de graduação Robert Herman se juntou à equipe, Gamow, brincando, sugeriu que ele mudasse seu nome para "Delter", apenas para se encaixar.)

O famoso artigo de Alpher-Bethe-Gamow de 1948, que detalhava alguns dos pontos mais delicados da nucleossíntese do Big Bang. Os elementos leves foram previstos corretamente; os elementos pesados ​​não eram. Crédito da imagem: Physical Review (1948).

Orgulhoso de seu jogo de palavras inteligente e de sua idéia inovadora, Gamow enviou uma cópia do artigo a seu amigo físico sueco Oskar Klein, avisando-o de sua importância. "Parece que este artigo 'alfabético' pode representar alfa a ômega da produção do elemento", escreveu Gamow. "Como é que você gosta?" Klein então respondeu:

“Muito obrigado por me enviar seu charmoso papel alfabético. Permitam-me, no entanto, ter alguma dúvida quanto à sua representação 'do alfa ao ômega da produção do elemento'. No que diz respeito à gama, eu concordo, é claro, completamente com você e que esse começo brilhante parece realmente mais promissor, mas quanto ao desenvolvimento futuro, vejo dificuldades. ”

De fato, a resposta de Klein foi adequada. O artigo alfa-beta-gama poderia literalmente explicar apenas os três primeiros elementos: hidrogênio, hélio e (até certo ponto) lítio. Estes podem ser construídos passo a passo, como os degraus de uma escada, adicionando um próton, nêutron ou deuteron (combinação próton-nêutron) para subir para o próximo isótopo. Além da produção de lítio, havia um problema fatal: não havia isótopos estáveis ​​de massa atômica (soma de prótons mais nêutrons) cinco ou oito!

  • Adicionar um próton ou nêutron ao hélio-4, para criar o hélio-5 ou o lítio-5, faria com que qualquer um se deteriorasse em menos de 10 a 21 segundos.
  • A adição de dois núcleos de hélio-4, para criar o berílio-8, resulta em uma deterioração em pouco menos de 10 a 16 segundos.

Sem um bom passo na missa cinco ou oito, parecia não haver uma boa maneira de progredir. Não havia como, por exemplo, montar carbono, especialmente no tempo limitado em que o universo estava mais quente. Quando você pensou em elementos ainda mais altos e pesados, o problema só ficou mais difícil. A escada de nucleossíntese do Big Bang estava perdendo os degraus principais que a condenavam como uma descrição completa de toda a tabela periódica.

As abundâncias previstas de hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio-7, conforme previsto pela Nucleosíntese do Big Bang, com observações mostradas nos círculos vermelhos. Embora alguns elementos sejam construídos pelo Big Bang, a maior parte da tabela periódica não é. Crédito de imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

Enquanto isso, Hoyle apresentou sua própria hipótese de que todos os elementos superiores além do hélio foram produzidos em estrelas gigantes vermelhas. Ao longo de uma década, de meados da década de 1940 a meados da década de 1950, ele começou a considerar vários tipos de processos nucleares que poderiam acumular elementos mais elevados, como carbono, nitrogênio e oxigênio em núcleos estelares de fogo. Isso exigiria temperaturas imensamente altas, sustentadas por longos períodos de tempo.

Em Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, físico nuclear dinamarquês, havia estabelecido um poderoso centro de estrutura nuclear chamado Laboratório de Radiação WK Kellogg. Pesquisadores na década de 1950 incluíram o estudante de Lauritsen, William Fowler, e o filho de Lauritsen, Thomas, um físico talentoso. O laboratório se destacou pelo uso de aceleradores de partículas para acelerar e arremessar partículas em direção a alvos nucleares, causando em alguns casos transmutações.

Willie Fowler no Laboratório de Radiação WK Kellogg da Caltech, que confirmou a existência do Estado Hoyle e do processo alfa-triplo. Crédito da imagem: Arquivos Caltech.

Atraído pela capacidade do Laboratório Kellogg, Hoyle organizou inúmeras visitas longas a Caltech, começando em 1953. Ao chegar ao laboratório, ele imediatamente desafiou os pesquisadores a investigar sua hipótese de um estado excitado de longa duração do carbono-12 que agia como um passo vital na nucleossíntese estelar. Fowler, os dois Lauristens e outro físico chamado CW Cook partiram para encontrar esse estado e logo conseguiram produzi-lo. Isso iniciou uma colaboração altamente lucrativa entre Hoyle, Fowler e outros. Logo se juntaram à equipe de marido e mulher dos astrônomos britânicos E. Margaret e Geoffrey Burbidge, que haviam trabalhado com Hoyle em Cambridge.

Margaret e Geoffrey Burbidge, pioneiros no campo da nucleossíntese estelar. Crédito da imagem: Arquivos Caltech.

Em 30 de dezembro de 1956, o trabalho de transmutação de elementos em Kellogg, envolvendo bombardeio de carbono com deuterons, foi apresentado no New York Times como evidência da teoria do estado estacionário, em oposição ao Big Bang. Referindo-se a uma palestra proferida por Thomas Lauritsen na reunião anual da American Physical Society naquele ano, sua manchete dizia: “Físico produz hélio de carbono; A transmutação é aclamada como ajuda a explicar a origem do universo; Teoria do 'Big Bang' atingiu. ”

As manchetes anunciando o sucesso da nucleossíntese estelar ... e a subida das previsões alfa-beta-gama de elementos mais pesados. Crédito de imagem: New York Times.

Menos de um ano depois, em 1º de outubro de 1957, as duas Burbidges, Fowler e Hoyle (B²FH) publicaram em Reviews of Modern Physics o artigo do seminário “Synthesis of the Elements in Stars”. Com base na experiência teórica de Hoyle, no conhecimento observacional de Burbidges e na proeza experimental de Fowler (que ele captou em parte de CC Lauritsen), o artigo foi uma brilhante exposição de como os elementos foram construídos, dividindo-os em diferentes processos, começando com a queima de hidrogênio e queima de hélio e continuando com os processos chamados "s" (captura lenta de nêutrons), "r" (captura rápida de nêutrons) e "p" (captura de prótons) envolvendo elementos superiores.

As maneiras de construir elementos - estáveis ​​e instáveis ​​- a partir da nucleossíntese nas estrelas. Crédito da imagem: Woosley, Arnett e Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Eles mostraram como estrelas envelhecidas que eram massivas o suficiente, como Gigantes Vermelhos e Super Gigantes, poderiam achar energicamente viável criar todos os elementos necessários para o ferro em seus núcleos. Os elementos ainda mais altos poderiam ser produzidos nas condições extremas de uma explosão de supernova, sobre a qual toda a gama de elementos seria liberada no espaço.

Um remanescente de supernova não apenas expele elementos pesados ​​criados na explosão de volta ao Universo, mas a presença desses elementos pode ser detectada na Terra. Crédito da imagem: NASA / Chandra X-ray Observatory.

A principal limitação do artigo de outro modo destacado foi sua falha em prever a enorme quantidade de hélio no espaço. Embora todas as estrelas fundam hidrogênio em hélio, elas apenas criariam um Universo que era, em massa, menos de 5% de hélio hoje. No entanto, observamos um universo em que mais de 25% de sua massa é hélio. Para produzir essa porcentagem, o Big Bang quente acabou sendo necessário. A correspondência aproximada entre as previsões do Big Bang e a proporção real de hidrogênio / hélio, bem como a descoberta de 1965 por Arno Penzias e Robert Wilson da radiação cósmica de fundo, o "chiado" de radiação do universo primitivo, cimentado apoio dos astrônomos ao Big Bang sobre o estado estacionário.

Em meados da década de 1960, Hoyle e os Burbidges abandonaram a teoria original do Steady State, mas, juntamente com o aluno de Hoyle, Jayant Narlikar, desenvolveu uma alternativa com “pequenas franjas” chamada estado quase estável. Até sua morte em 2001, Hoyle continuou a abraçar essa teoria. Enquanto Fowler ganhou o Prêmio Nobel por sua pesquisa nuclear em geral, provavelmente Hoyle e os Burbidges receberam relativamente pouco crédito por suas contribuições seminais.

Em 2007, junto com Virginia Trimble, ajudei a organizar uma sessão em uma reunião da American Physical Society em homenagem ao 50º aniversário do jornal B²FH. Geoffrey Burbidge, então com problemas de saúde, auxiliado por uma enfermeira e confinado a uma cadeira de rodas, compareceu e deu uma palestra. Seu espírito e voz estavam tão fortes como sempre, no entanto. Lembro-me dele falando sobre o povo do Big Bang ser como lemingues irracionais seguindo seu líder sobre um penhasco. Ele morreu menos de três anos depois.

Hoje Margaret Burbidge, aos 97 anos, é a única autora do artigo ainda viva, quando comemoramos seu 60º aniversário. Vamos brindar à Prof. Burbidge e seus colegas, em comemoração ao momento em que a humanidade percebeu que é feita de material estelar!

A Starts With A Bang é baseada na Forbes, republicada no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon. Encomende o primeiro livro de Ethan, Beyond The Galaxy, e encomende seu próximo, Treknology: The Science of Star Trek, de Tricorders a Warp Drive!