Há décadas que os astrónomos tentam determinar as origens cósmicas dos elementos mais pesados, como o ouro. Agora, uma nova investigação baseada num sinal descoberto em dados de arquivo de missões espaciais pode apontar para uma potencial pista: magnetares, ou estrelas de neutrões altamente magnetizadas.
Os cientistas acreditam que os elementos mais leves, como o hidrogénio e o hélio, e até mesmo uma pequena quantidade de lítio, existiram provavelmente logo após o Big Bang que criou o Universo há 13,8 mil milhões de anos.
Depois, a explosão das estrelas libertou elementos mais pesados, como o ferro, que foram incorporados nas estrelas e planetas recém-nascidos. Mas a distribuição do ouro, que é mais pesado do que o ferro, por todo o Universo tem constituído um mistério para os astrofísicos.
“É uma questão bastante fundamental em termos da origem da matéria complexa no Universo”, afirma Anirudh Patel, autor principal do estudo publicado recentemente no The Astrophysical Journal Letters e estudante de doutoramento em física na Universidade de Columbia, em Nova Iorque. “É um puzzle divertido que ainda não foi resolvido.”
Anteriormente, a produção cósmica de ouro só tinha sido associada a colisões de estrelas de neutrões.
Os astrónomos observaram uma colisão entre duas estrelas de neutrões em 2017. O choque cataclísmico libertou ondulações no espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, bem como a luz de uma explosão de raios gama. O evento de colisão, conhecido como quilonova, também criou elementos pesados como o ouro, a platina e o chumbo. As quilonovas têm sido comparadas a “fábricas” de ouro no espaço.
Acredita-se que a maioria das fusões de estrelas de neutrões ocorreu apenas nos últimos milhares de milhões de anos, diz o coautor do estudo Eric Burns, professor assistente e astrofísico da Universidade Estatal do Louisiana em Baton Rouge.
Mas dados indecifráveis de há 20 anos, obtidos por telescópios da NASA e da Agência Espacial Europeia, sugerem que as erupções de magnetares que se formaram muito antes - durante a infância do Universo - podem ter proporcionado outra forma de criação de ouro.
Tremores nas estrelas
As estrelas de neutrões são os restos dos núcleos de estrelas que explodiram e são tão densas que uma colher de chá do material da estrela pesaria mil milhões de toneladas na Terra. As magnetares são um tipo de estrela de neutrões extremamente brilhante, com um campo magnético incrivelmente poderoso.
Os astrónomos ainda estão a tentar perceber exatamente como se formam os magnetares, mas supõem que os primeiros devem ter surgido logo a seguir às primeiras estrelas, cerca de 200 milhões de anos após o início do Universo, ou seja, há cerca de 13,6 mil milhões de anos, aponta Burns.
Ocasionalmente, os magnetares libertam uma grande quantidade de radiação devido a “terremotos estelares”.
Na Terra, os terremotos ocorrem porque o núcleo fundido da Terra causa movimento na crosta do planeta e, quando se acumula tensão suficiente, resulta em movimento volátil, ou seja, o chão treme debaixo dos nossos pés. Os terremotos estelares são semelhantes, observa Burns.
“As estrelas de neutrões têm uma crosta e um núcleo superfluido. O movimento sob a superfície cria tensão, o que pode eventualmente causar um tremor de terra. Nos magnetares, estes terremotos produzem rajadas muito curtas de raios X. Tal como na Terra, há períodos em que uma determinada estrela está particularmente ativa, produzindo centenas ou milhares de erupções em poucas semanas. E da mesma forma, de vez em quando, ocorre um terremoto particularmente poderoso.”
Os investigadores encontraram provas que sugerem que um magnetar liberta material durante uma erupção gigante, mas não têm uma explicação física para a ejeção da massa da estrela, explica Patel.
É provável que as erupções aqueçam e ejetem o material da crosta a altas velocidades, de acordo com pesquisas recentes de vários coautores do novo estudo, incluindo o conselheiro de Patel, Brian Metzger, professor de física na Universidade de Columbia e investigador sénior do Instituto Flatiron em Nova Iorque.
“Levantaram a hipótese de que as condições físicas desta ejeção de massa explosiva eram promissoras para a produção de elementos pesados”, diz Patel.
Detetar um sinal estelar
A equipa de investigação estava curiosa para ver se poderia haver uma ligação entre a radiação das erupções magnetares e a formação de elementos pesados. Os cientistas procuraram evidências em comprimentos de onda de luz visível e ultravioleta. Mas Burns questionou-se se a chama poderia também criar um rasto de raios gama.
Analisou os dados de raios gama da última chama magnetar gigante observada, que apareceu em dezembro de 2004 e foi captada pela missão INTEGRAL, agora retirada, ou INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory. Os astrónomos tinham encontrado e caracterizado o sinal, mas não sabiam como interpretá-lo na altura, conta Burns.
A previsão do modelo proposto pela pesquisa anterior de Metzger coincidiu de perto com o sinal dos dados de 2004. O raio gama assemelhava-se ao que a equipa propôs que seria a criação e distribuição de elementos pesados numa chama magnetar gigante.
Os dados do RHESSI, ou Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, e do satélite Wind, da NASA, também apoiaram as conclusões da equipa. A investigação de longo prazo financiada pelo governo federal permitiu a descoberta, indica Burns.
“Quando inicialmente construímos o nosso modelo e fizemos as nossas previsões em dezembro de 2024, nenhum de nós sabia que o sinal já estava nos dados. E nenhum de nós poderia ter imaginado que os nossos modelos teóricos se ajustariam tão bem aos dados. Foi muito emocionante para todos nós”, confessa Patel. “É muito fixe pensar em como algumas das coisas que tenho no meu telemóvel ou no meu portátil foram forjadas nesta explosão extrema (ao longo) da história da nossa galáxia.”
Eleonora Troja, professora associada da Universidade de Roma, que liderou a descoberta de raios-X emitidos pela colisão de estrelas de neutrões em 2017, considera que as evidências para a criação de elementos pesados do evento magnetar “não são de forma alguma comparáveis às evidências reunidas em 2017”. Troja não esteve envolvida no novo estudo.
“A produção de ouro a partir deste magnetar é uma possível explicação para o seu brilho de raios gama, uma entre muitas outras, como o artigo discute honestamente no final”, defende Troja.
Troja acrescenta que os magnetares são “objetos muito confusos”. Dado que a produção de ouro pode ser um processo complicado que requer condições específicas, é possível que os magnetares possam adicionar demasiados ingredientes errados, como um excesso de eletrões, à mistura, resultando em metais leves como o zircónio ou a prata, em vez de ouro ou urânio.
“Por isso, eu não diria que foi descoberta uma nova fonte de ouro”, argumenta Troja. “Pelo contrário, o que foi proposto é uma via alternativa para a sua produção.”
Os investigadores acreditam que as erupções gigantes de magnetares podem ser responsáveis por até 10% dos elementos mais pesados do que o ferro na galáxia da Via Láctea, mas uma futura missão poderá fornecer uma estimativa mais precisa, aponta Patel.
A missão Compton Spectrometer and Imager da NASA, ou COSI, cujo lançamento está previsto para 2027, poderá dar seguimento às conclusões do estudo. O telescópio de raios gama de campo alargado foi concebido para observar erupções magnetares gigantes e identificar os elementos nelas criados. O telescópio poderá ajudar os astrónomos a procurar outras fontes potenciais de elementos pesados no Universo, espera Patel.
