Colisão de estrelas de neutrões detetada, com o JWST, a criar metais pesados pela primeira vez

Nem tudo o que nos rodeia foi “cozinhado” dentro de estrelas. Alguns dos metais mais raros e pesados parecem nascer em eventos muito mais violentos - como a explosão de uma kilonova, desencadeada quando duas estrelas de neutrões colidem a cerca de mil milhões de anos-luz.

Foi exatamente isso que o James Webb Space Telescope (JWST) ajudou agora a confirmar pela primeira vez ao estudar este tipo de fenómeno: na sequência de um enorme surto de raios gama registado a 7 de março de 2023, os dados do telescópio revelaram sinais de telúrio - um metal raro e demasiado pesado para ser forjado no interior de estrelas através da fusão.

Houve também indícios de outros metais, como tungsténio e selénio. Para os investigadores, a descoberta reforça a ideia de que as fusões de estrelas de neutrões são uma fonte importante de elementos pesados - uma peça essencial para perceber como o Universo produz matéria e a espalha pelo espaço.

“Só conhecemos um punhado de kilonovas, e esta é a primeira vez que conseguimos observar o ‘pós’ de uma kilonova com o James Webb Space Telescope”, diz o astrofísico Andrew Levan, da Universidade Radboud, que liderou a análise.

E acrescenta: “Pouco mais de 150 anos depois de Dmitri Mendeleev ter escrito a tabela periódica, estamos finalmente em posição de começar a preencher as últimas lacunas sobre onde tudo foi criado.”

As estrelas são, de facto, extraordinárias. Pegam no hidrogénio - que constitui a maior parte da matéria visível do Universo - e vão juntando átomos repetidamente para formar elementos mais pesados: hidrogénio transforma-se em hélio e, a partir daí, em átomos cada vez mais pesados, até chegar ao ferro.

Mas é aqui que a “máquina” da fusão numa estrela perde força. Fundir ferro para obter elementos ainda mais pesados exige mais energia do que a que liberta, colocando a estrela num caminho que acaba por culminar numa explosão sob o peso da sua própria gravidade.

Essa explosão energética pode, no entanto, desencadear uma série de reações nucleares em que núcleos atómicos colidem com neutrões livres, sintetizando elementos ainda mais pesados.

Para resultar, estas reações têm de acontecer depressa o suficiente para que o decaimento radioativo não ocorra antes de mais neutrões serem acrescentados ao núcleo. Ou seja, é preciso um local com muitos neutrões livres “a flutuar” - como no interior de uma supernova ou de uma kilonova. Este processo de nucleossíntese é conhecido como processo de captura rápida de neutrões, ou r-process.

Quando a colisão de duas estrelas de neutrões foi observada pela primeira vez, em 2017, o que se seguiu confirmou que as kilonovas produzem elementos do r-process. Os cientistas detetaram a presença de estrôncio, o 38.º elemento da tabela periódica.

Quando um surto de raios gama, batizado GRB230307A, foi apanhado em plena atividade em março deste ano, a comunidade científica apontou imediatamente instrumentos para o observar com mais detalhe. O GRB230307A foi verdadeiramente impressionante - um dos surtos de raios gama mais brilhantes alguma vez vistos, 1.000 vezes mais luminoso do que o típico e mais de um milhão de vezes mais brilhante do que toda a Via Láctea.

Também teve uma duração invulgarmente longa, cerca de 200 segundos. Esta duração prolongada costuma ser interpretada como sinal de uma supernova - os surtos associados a kilonovas tendem a durar muito menos. Ainda assim, observações em vários comprimentos de onda mostraram que o perfil do “afterglow” era consistente com uma origem numa kilonova.

E, como as kilonovas são uma fonte conhecida de elementos do r-process, os astrónomos solicitaram observações da origem da explosão com o JWST no infravermelho.

A 5 de abril, apontaram o telescópio para o brilho remanescente - que, nessa altura, já tinha uma componente infravermelha significativa - e recolheram espectros.

Os dados revelaram a presença de telúrio, o 52.º elemento da tabela periódica. É um elemento bem pesado, o que sugere que poderão existir outros elementos do r-process na ejeção em expansão resultante da colisão das estrelas de neutrões, embora sejam necessárias mais observações para o confirmar.

E há outro detalhe curioso: a explosão aconteceu num local bastante estranho - no espaço intergaláctico, a 120.000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os investigadores concluíram que essa galáxia terá sido, provavelmente, onde as duas estrelas de neutrões se formaram inicialmente como estrelas normais e massivas; quando cada uma explodiu em supernova no passado, uma após a outra, a força dessas explosões foi suficiente para lhes dar um “empurrão” que as lançou para fora da galáxia.

Segundo os investigadores, ainda há muito para aprender com este evento fascinante.

“Até há pouco tempo, não pensávamos que as fusões conseguiam alimentar surtos de raios gama por mais de dois segundos”, diz o astrónomo Ben Gompertz, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido.

“O nosso próximo trabalho é encontrar mais destas fusões de longa duração e desenvolver uma melhor compreensão do que as alimenta - e se estão a ser criados elementos ainda mais pesados. Esta descoberta abriu a porta a uma compreensão transformadora do nosso Universo e do seu funcionamento.”

A investigação foi publicada na Nature.