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O ouro da sua aliança veio da colisão de duas estrelas de nêutrons
Nenhuma estrela comum fabrica ouro; em 2017 o LIGO flagrou a fusão que produziu vários planetas Terra em metal precioso num piscar.
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A ruína luminosa de duas estrelas de nêutrons
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Em 17 de agosto de 2017, às 12h41 no horário universal, os braços de quatro quilômetros do detector LIGO em Hanford registraram uma vibração que subiu de tom durante cerca de cem segundos e terminou num guincho agudo. Um segundo e sete décimos depois, o telescópio espacial Fermi captou um pulso curto de raios gama vindo da mesma região do céu.
O alerta saiu para a comunidade astronômica em poucas horas, com uma caixa de busca desenhada pela triangulação entre Hanford, Livingston e o detector Virgo, na Itália. Ao longo daquela noite e das seguintes, cerca de setenta observatórios em todos os continentes e em órbita apontaram para a mesma mancha de céu, o maior mutirão coordenado já montado para um único evento.
O ponto foi achado num canto da galáxia NGC 4993, na constelação de Hidra, a cerca de 130 milhões de anos-luz. Nos primeiros dias, aquele ponto brilhava azulado; depois foi ficando vermelho, com rapidez incompatível com qualquer supernova conhecida.
O nome dessa despedida vermelha é quilonova, e ela é a parte que muda a joalheria. A cor e a velocidade do desbotamento são a assinatura de matéria recém-fabricada e radioativa esfriando enquanto se expande, entulhada de átomos pesados que nenhuma estrela comum consegue montar.
E aqui está o incômodo que sustenta a edição de hoje. O Sol não fabrica ouro. Nenhuma estrela em funcionamento normal fabrica ouro, porque a fusão que sustenta uma estrela para de render energia quando chega ao ferro, e tudo que é mais pesado que o ferro custa energia em vez de liberar. O ouro que está na aliança, no contato dourado do celular e no dente do avô teve que ser montado em outro lugar, por outro processo, em condições que a física do interior estelar não oferece.
A pergunta que resta é onde, e a resposta é mais violenta do que a joia deixa transparecer.
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I O Mecanismo
A fábrica de nêutrons que dura dois segundos
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Toda estrela vive de um saldo. Fundir hidrogênio em hélio libera energia, fundir hélio em carbono também, e a conta segue positiva por uma sequência de elementos até chegar ao ferro-56, o núcleo mais firmemente amarrado que existe. Depois do ferro, fundir passa a consumir energia em vez de fornecer, e a linha de montagem por fusão simplesmente encerra o expediente.
Tudo que é mais pesado que o ferro, portanto, nasce por outro caminho: captura de nêutrons. Um núcleo engole um nêutron, que não tem carga elétrica e não é repelido pela carga do núcleo, fica mais pesado, e às vezes um dos nêutrons de dentro dele decai em próton, o que empurra o átomo uma casa adiante na tabela periódica.
Existem duas velocidades para essa engolida, e a diferença entre elas define o que dá para fabricar. No processo lento, o processo s, o núcleo recebe um nêutron a cada dezenas ou centenas de anos, tempo de sobra para decair entre uma captura e outra. Ele acontece em estrelas gigantes vermelhas e monta a maior parte do estrôncio, do bário e do chumbo, mas empaca perto do bismuto, porque a partir dali os núcleos se desmancham mais rápido do que a fila lenta consegue construir.
Ouro, platina, urânio e a maior parte dos lantanídeos exigem o processo rápido, o processo r. Nele, o núcleo precisa receber uma enxurrada de nêutrons em frações de segundo, empilhando dezenas deles antes que qualquer decaimento tenha tempo de intervir, e só depois a pilha instável desce em cascata até os elementos pesados estáveis que conhecemos.
A receita exige um ambiente absurdo: densidade de nêutrons livres da ordem de 10 elevado a 24 por centímetro cúbico, temperatura de bilhões de graus, e tudo em poucos segundos. A colisão de duas estrelas de nêutrons entrega exatamente essa receita.
Uma estrela de nêutrons é o caroço que sobra de uma estrela grande depois que ela colapsa: mais massa que o Sol inteiro comprimida numa esfera de vinte quilômetros de diâmetro, feita quase inteiramente de nêutrons empacotados na densidade de um núcleo atômico.
Quando duas dessas orbitam uma à outra, o sistema perde energia emitindo ondas gravitacionais, as órbitas encolhem, e o fim é uma espiral que acelera até centenas de voltas por segundo. Na última fração de segundo antes do encontro, a maré gravitacional despedaça as duas e arremessa para fora entre 1% e 5% da massa combinada, num jato de matéria nuclear pura a uma fração considerável da velocidade da luz.
Os números do fenômeno:
| Data da detecção: | 17 de agosto de 2017 | | Distância do evento: | cerca de 130 milhões de anos-luz | | Duração do sinal gravitacional: | cerca de 100 segundos | | Atraso até o pulso de raios gama: | 1,7 segundo | | Massa ejetada na fusão: | da ordem de 0,05 massa solar | | Ouro estimado no material ejetado: | dezenas de massas terrestres |
Aquele material é o sonho do processo r: nêutrons livres em quantidade obscena, esfriando rápido, capturados aos borbotões por qualquer semente de núcleo pesado que passe por perto. Em segundos, a nuvem monta a metade pesada da tabela periódica.
O que se vê da Terra é o rescaldo radioativo dessa montagem. Os núcleos recém-formados decaem, o calor do decaimento faz a nuvem brilhar, e os lantanídeos ali dentro são tão opacos à luz azul que o brilho migra para o vermelho e o infravermelho em poucos dias. A quilonova é, literalmente, o clarão de uma fundição fechando o turno.
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II Por que Importa
A fruteira de joias como arquivo cósmico
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Nenhum grama de ouro terrestre foi feito na Terra, e nenhum foi feito no Sol. Todo o ouro do planeta já existia antes do Sol acender, dissolvido na nuvem de gás e poeira que colapsou para formar o sistema solar, e cada átomo dele carrega no lugar de nascimento o mesmo endereço violento.
O detalhe que fecha a conta é geológico. O ouro é siderófilo, tem afinidade química com ferro, e quando a Terra ainda estava derretida a maior parte dele afundou junto com o ferro para o núcleo do planeta, a três mil quilômetros de profundidade, inalcançável para sempre. O ouro que se garimpa hoje na crosta é, em boa medida, uma segunda entrega, trazida por bombardeios de asteroides depois que o núcleo já tinha se formado.
Some as duas etapas e a raridade deixa de ser mística. O ouro é caro porque foi fabricado em eventos raros, distribuído fino por uma nuvem gigantesca, e depois quase todo engolido pelo próprio planeta que o recebeu. Todo o ouro já extraído na história humana caberia num cubo de aproximadamente 22 metros de lado.
O caso mais íntimo é o iodo. Cada átomo de iodo da tireoide, o mineral que a glândula usa para montar os hormônios que regulam o metabolismo inteiro do corpo, foi montado por captura rápida de nêutrons em algum evento como esse. Não é figura de linguagem: a bioquímica da tireoide depende de um elemento que só existe porque objetos compactos se chocaram muito antes de a Terra existir.
O urânio e o tório fecham o ciclo por baixo dos pés. Eles são produtos do processo r, decaem lentamente dentro do manto terrestre, e o calor desse decaimento é uma parcela importante do motor que move as placas tectônicas, ergue cordilheiras e mantém o campo magnético do planeta em funcionamento.
Vale registrar o que ainda não está resolvido nessa contabilidade. A fusão de estrelas de nêutrons é hoje a única fonte de processo r flagrada em ato, mas há dúvida sobre se ela sozinha explica a quantidade de elementos pesados observada nas estrelas mais antigas da galáxia, que se formaram cedo demais para esperar por fusões que levam bilhões de anos para acontecer.
O candidato alternativo tem nome e tem defensores. Colapsares, estrelas muito grandes e em rotação rápida que desabam formando buraco negro com disco de acreção, poderiam produzir processo r bem mais cedo na história da galáxia, e a divisão do crédito entre as duas fontes segue sendo tema de artigo, não assunto encerrado.
O que a aliança ganha de qualquer jeito é uma procedência. Ela é feita de matéria montada em segundos, num evento a centenas de milhões de anos-luz e bilhões de anos de distância, que precisou de dois cadáveres estelares se encontrando para existir. Comprar a aliança na joalheria da esquina é o desfecho mais banal possível para a cadeia de suprimentos mais extrema conhecida.
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