Importante reação nuclear foi detectada pela primeira vez no Sol

Foto do experimento Borexino que realizou a observação anunciada.

Físicos do Laboratório Nacional de Gran Sasso na Itália detectaram pela primeira vez um mecanismo conhecido como Ciclo CNO, uma importante cadeia de reações nucleares que transforma hidrogênio em hélio. Apesar de ocorrer com baixa frequência no Sol, este mecanismo é essencial para manter estrelas com massas acima de 1.3 vezes a massa do Sol. O achado foi publicado em novembro de 2020 na revista Nature.

Estrelas passam a maior parte da sua vida “queimando” hidrogênio para se manterem estáveis. Porém, isto não quer dizer que o Sol e outras estrelas estão pegando fogo no sentido literal, o que acontece são reações de fusão nuclear que transformam hidrogênio em hélio. Existem dois mecanismos responsáveis por esta transformação: a Cadeia p-p e o Ciclo CNO.

Para estrelas com a massa do Sol ou menor, a Cadeia p-p é a mais importante. o “p-p” vem de “próton-próton”, pois é cadeia de reações que fundem 4 hidrogênios em um hélio:

Cadeia pp, onde átomos de hidrogênio sofrem fusões até formar um átomo de hélio

Já no caso de estrelas bastante massivas, especificamente acima de 1.3 massas solares, o Ciclo CNO passa a ser a reação dominante. Neste ciclo, átomos de Carbono-Nitrogênio-Oxigênio são usados como catalisadores para as reações de fusão, daí o nome. Durante o ciclo, os átomos vão mudando, porém ao final o mesmo átomo do início do ciclo é gerado.

Ciclo CNO-I, note que o átomo de carbono sofre diversas transformações, porém no final sobra um átomo de carbono que pode dar início a outro ciclo.

Ambos mecanismos acontecem no núcleo das estrelas. Perceba que além de hélio, são liberados fótons (raios gama) e neutrinos. O núcleo do Sol é praticamente opaco, demora muito tempo para os fótons do núcleo conseguirem escapar do Sol, logo a única esperança de estudar este ciclo diretamente é detectar os neutrinos.

Cerca de 99% da energia do Sol é gerada pela Cadeia pp e os neutrinos dessa reação foram detectados há bastante tempo. Porém, como o Ciclo CNO é suprimido no Sol, apenas agora conseguimos observar os neutrinos relacionados às reações. Isto é importante pois confirma experimentalmente nossos modelos de física estelar e nos ajuda a entender estrelas mais pesadas!

A detecção foi feita em um experimento chamado Borexino, um complexo aparato que é conhecido como o detector mais livre de elementos radioativos de sua categoria. Ele é ideal para estudar neutrinos do Sol, pois algumas reações solares têm um baixo fluxo de neutrinos e qualquer elemento radioativo que possa liberar neutrinos pode atrapalhar em muito a execução do experimento.

A detecção do ciclo CNO é uma grande descoberta para a astrofísica estelar e uma confirmação do poder de predição da física nuclear que foi usada para modelar as estrelas como as conhecemos.

Referências e Saiba mais:

[1] The Borexino Collaboration., Agostini, M., Altenmüller, K. et al. Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun. Nature 587, 577–582 (2020).

[2] Detector finalmente soluciona mistério sobre funcionamento de estrelas. Scientific American Brasil