A mil milhões de anos-luz, uma kilonova revelou-se uma fábrica de elementos pesados raros

Nem todos os grandes segredos da química se resolvem num laboratório - alguns revelam-se no espaço profundo. A cerca de mil milhões de anos-luz, a colisão violenta de duas estrelas de neutrões produziu uma kilonova que, afinal, funcionou como uma verdadeira “fábrica” de elementos pesados raros.

Foi a primeira vez que o Telescópio Espacial James Webb observou um evento deste tipo em detalhe. Depois de um enorme surto de raios gama detetado a 7 de março de 2023, os dados do Webb mostraram sinais de telúrio - um metal raro demasiado pesado para ser criado no interior das estrelas através da fusão.

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

“Há apenas um punhado de kilonovas conhecidas, e esta é a primeira vez que conseguimos olhar para as ‘cinzas’ de uma kilonova com o Telescópio Espacial James Webb”, diz o astrofísico Andrew Levan, da Universidade de Radboud, que liderou a análise.

Acrescenta: “Pouco mais de 150 anos depois de Dmitri Mendeleev ter escrito a tabela periódica, estamos finalmente numa posição para começar a preencher as últimas lacunas sobre onde tudo foi feito.”

As estrelas são, de facto, extraordinárias. Pegam no hidrogénio - que constitui a maior parte da matéria visível do Universo - e vão “colando” átomos sucessivamente para criar elementos mais pesados: hidrogénio em hélio, e depois átomos cada vez mais pesados, até chegar ao ferro.

Só que é aqui que o motor de fusão das estrelas perde fôlego. Fundir ferro para formar elementos ainda mais pesados exige mais energia do que aquela que a reação liberta, empurrando a estrela para um destino explosivo, esmagada pelo seu próprio peso gravitacional.

Ao mesmo tempo, essa explosão energética pode desencadear uma série de reações nucleares em que núcleos atómicos colidem com neutrões livres, sintetizando elementos ainda mais pesados.

Para funcionar, estas reações têm de ocorrer depressa o suficiente para que o decaimento radioativo não tenha tempo de acontecer antes de mais neutrões se juntarem ao núcleo. Ou seja, precisam de ocorrer onde existam muitos neutrões livres - como numa supernova ou numa kilonova. Este processo de nucleossíntese é conhecido como processo de captura rápida de neutrões, ou r-process.

Quando, em 2017, se observou pela primeira vez a colisão de duas estrelas de neutrões, 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 detetado em março deste ano, os cientistas apontaram rapidamente instrumentos para o analisar melhor. O GRB230307A foi verdadeiramente espetacular - um dos surtos de raios gama mais brilhantes alguma vez vistos, 1.000 vezes mais brilhante 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, de cerca de 200 segundos. Esta duração é normalmente associada a uma supernova - os surtos de raios gama de kilonovas tendem a ser muito mais curtos. No entanto, observações em vários comprimentos de onda mostraram que o perfil do “brilho residual” era compatível com uma origem em kilonova.

E, como as kilonovas são uma fonte conhecida de elementos do r-process, os astrónomos pediram para observar a fonte da explosão com o JWST no infravermelho.

A 5 de abril, apontaram o telescópio para o brilho - 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 bastante pesado. Isso sugere que existam outros elementos do r-process no material expelido pela colisão das estrelas de neutrões, embora sejam necessárias mais observações para o confirmar.

E há ainda um detalhe curioso: a explosão aconteceu num local realmente estranho - no espaço intergaláctico, a 120.000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os investigadores concluíram que essa galáxia terá sido, provavelmente, o local de origem das duas estrelas de neutrões, inicialmente estrelas massivas “normais”; quando cada uma explodiu em supernova no passado, uma após a outra, a força dessas explosões terá sido suficiente para as projetar para fora da galáxia.

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

“Até há pouco tempo, não pensávamos que fusões pudessem 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 de como ele funciona.”

A investigação foi publicada na Nature.