Medição direta registra um passo raro na formação do selênio-74

Cientistas conseguiram medir diretamente a reação que gera uma forma rara e difícil de explicar do selênio, capturando pela primeira vez um estágio incomum que há muito tempo se acreditava ocorrer dentro de estrelas em explosão.

O resultado ajuda a amarrar uma das pontas soltas mais antigas da astrofísica - e, ao mesmo tempo, escancara uma lacuna mais profunda na forma como a ciência descreve o nascimento de elementos raros.

Dentro do detector: como o arsênio-73 virou selênio-74

Em uma câmara preenchida com hidrogênio na Instalação de Feixes de Isótopos Raros (FRIB), da Universidade Estadual de Michigan, uma forma rara de arsênio foi submetida às condições necessárias para se converter em uma forma rara de selênio.

Artemis Tsantiri e colaboradores registraram essa transformação quando o arsênio-73 capturou um próton e se tornou selênio-74.

Durante anos, esse mesmo passo esteve entre os pontos mais incertos da narrativa, porque faltava uma medição direta que o fixasse com precisão.

Com a reação finalmente medida, o enigma encolheu - e a discrepância que sobra passa a exigir uma explicação mais ampla.

Por que o selênio-74 chama tanta atenção

O selênio-74 faz parte do pequeno grupo dos p-núcleos, versões ricas em prótons de elementos que as rotas usuais, baseadas em nêutrons, deixam de lado.

Em geral, os elementos pesados se formam quando núcleos capturam nêutrons e depois, por decaimento radioativo, “se acomodam” em estados estáveis.

Esse roteiro padrão, centrado em nêutrons, não produz selênio-74, o que o torna o membro mais leve de um conjunto raro que vem sendo debatido por cientistas há décadas.

Por ocupar uma posição incomum no diagrama dos elementos, o selênio-74 torna qualquer medição direta especialmente valiosa, já que as etapas ausentes têm sido difíceis de testar.

Calor nas supernovas e o processo gama

Uma das hipóteses mais aceitas coloca a montagem do selênio-74 dentro do processo gama, uma cadeia de desintegrações nucleares induzidas por luz em estrelas superaquecidas.

Sob temperaturas extremas, raios gama intensos arrancam nêutrons e outras partículas de núcleos mais antigos, empurrando a matéria na direção de formas mais ricas em prótons.

Depois disso, parte desses produtos instáveis converte um próton em nêutron e permanece como os isótopos incomuns que observamos.

O problema é que muitos núcleos ao longo desse caminho desaparecem rapidamente, o que manteve taxas de reação cruciais quase sempre restritas a previsões teóricas.

Montando o feixe no FRIB

Para executar o experimento, o grupo precisou primeiro produzir o próprio arsênio-73, um material instável que raramente está disponível para testes diretos.

Químicos prepararam o isótopo; em seguida, engenheiros o ionizaram, aceleraram e o direcionaram para o gás hidrogênio no centro do detector.

O FRIB tornou isso possível porque seu acelerador secundário consegue operar de forma independente, e não apenas como parte do equipamento principal.

Essa autonomia importa muito além do selênio: agora, outros núcleos de vida curta podem ser preparados para experimentos que antes eram descartados.

Energia liberada em um instante

Após a captura do próton, o selênio-74 recém-formado ficou com energia excedente e a liberou rapidamente na forma de radiação gama.

Esse clarão de gama permitiu ao detector contabilizar com que frequência a reação ocorria, fornecendo ao time uma estimativa da taxa.

Para astrofísicos, a etapa inversa - a destruição - é especialmente relevante, porque fótons estelares intensos podem quebrar o selênio-74 durante uma explosão.

Ao medir em laboratório a reação no sentido direto, os pesquisadores conseguiram restringir o processo inverso, mais difícil de observar, nas condições estelares.

Reduzindo a incerteza da intensidade

Antes desse avanço, cálculos padrão permitiam que a intensidade da reação variasse dentro de uma faixa muito ampla de valores possíveis.

Uma medição em energia mais alta ancorou fortemente essa dispersão, ainda que um ponto em energia mais baixa continuasse com bastante ruído.

Quando a equipe inseriu a taxa agora mais bem limitada em simulações de supernovas, a incerteza na abundância de selênio-74 caiu cerca de metade.

Números mais limpos não resolveram tudo, mas retiraram uma das justificativas preferidas para explicar por que os modelos divergiam.

A discrepância continua

Mesmo com dados mais consistentes, modelos de supernovas de Tipo II ainda produzem selênio-74 em excesso quando comparados ao registro do Sistema Solar.

Assim, é provável que parte do descompasso esteja nas condições iniciais do ambiente estelar - como temperatura, densidade ou a mistura de núcleos de partida.

Segundo os pesquisadores, apenas a física nuclear não conseguiria eliminar esse excedente, uma conclusão que devolve o foco para a própria explosão.

Ao remover uma incerteza de forma tão clara, os problemas remanescentes nos modelos de supernovas ficaram mais difíceis de ignorar.

Testando outras reações estelares com isótopos de vida curta

Mais de 45 cientistas, de 20 instituições, participaram do esforço, refletindo o quanto medições com átomos de vida curta ainda são complexas.

“Embora a origem dos p-núcleos seja um tema de estudo há mais de 60 anos, medições de reações importantes em isótopos de vida curta são quase inexistentes”, disse Tsantiri.

Ele observou que experimentos desse tipo só se tornaram viáveis recentemente, graças a infraestruturas avançadas como o FRIB.

As consequências vão além deste isótopo, porque as mesmas ferramentas agora permitem testar outras reações estelares que antes ficavam entregues à teoria.

Próximos caminhos de pesquisa para o selênio-74 e elementos raros ricos em prótons

Com esse resultado em mãos, os pesquisadores podem partir para reações vizinhas que influenciam outros elementos raros ricos em prótons.

Cada medição direta substitui uma suposição teórica por dados, tornando as histórias de origem estelar menos dependentes de palpite e mais ancoradas em física testável.

O FRIB foi projetado exatamente para esse tipo de investigação, usando núcleos de vida curta que quase nunca permanecem tempo suficiente para estudo.

À medida que mais dessas reações forem medidas, astrônomos devem ganhar uma leitura mais firme sobre quais explosões realmente forjaram os isótopos mais raros.

O experimento mostrou que um passo nuclear ausente enfim pode ser medido na Terra - e que essa precisão muda o que os modelos conseguem afirmar.

Ainda assim, a discrepância que sobra mantém o mistério maior vivo, apontando cientistas para condições mais realistas de supernovas e para mais testes diretos. O estudo foi publicado na revista Letras de Revisão Física.