Telescópio Espacial James Webb deteta telúrio numa quilonova

A explosão de uma quilonova, provocada pela colisão de duas estrelas de neutrões a mil milhões de anos-luz de distância, revelou-se uma fábrica de elementos pesados raros.

Foi a primeira vez que o Telescópio Espacial James Webb examinou um acontecimento deste tipo. Após uma colossal explosão de raios gama detetada a 7 de março de 2023, os dados do telescópio revelaram indícios de telúrio, um metal raro demasiado pesado para ser formado por fusão no interior das estrelas.

Os dados também sugeriram a presença de outros metais, como o tungsténio e o selénio. Segundo os investigadores, a descoberta confirma que as fusões de estrelas de neutrões são uma fonte de elementos pesados, uma peça importante para compreender como o Universo produz matéria e a espalha pelo espaço.

«Conhecem-se apenas algumas quilonovas e esta é a primeira vez que conseguimos observar as consequências de uma quilonova com o Telescópio Espacial James Webb», afirma o astrofísico Andrew Levan, da Universidade Radboud, que liderou a análise.

Acrescenta: «Pouco mais de 150 anos depois de Dmitri Mendeleev ter criado a tabela periódica dos elementos, estamos finalmente em posição de começar a preencher as últimas lacunas na compreensão de onde tudo foi produzido.»

Como as estrelas e as quilonovas produzem elementos

As estrelas são objetos extraordinários. A partir do hidrogénio, que constitui a maior parte da matéria visível do Universo, fundem átomos sucessivamente para criar elementos mais pesados: primeiro transformam hidrogénio em hélio e depois esses átomos mais pesados noutros ainda mais pesados, até chegarem ao ferro.

É nesse ponto, porém, que os motores de fusão das estrelas ficam sem energia. A fusão do ferro em elementos mais pesados consome mais energia do que liberta, colocando a estrela numa trajetória que culmina numa explosão sob o peso da sua própria gravidade.

Essa explosão energética pode, por sua vez, desencadear uma série de reações nucleares em que núcleos atómicos colidem com neutrões livres e sintetizam elementos ainda mais pesados.

As reações têm de ser suficientemente rápidas para que não ocorra decaimento radioativo antes de serem acrescentados mais neutrões ao núcleo. Por isso, precisam de acontecer num local com muitos neutrões livres, como uma supernova ou uma quilonova. Este mecanismo de nucleossíntese é conhecido como processo de captura rápida de neutrões, ou processo r.

Em 2017, quando foi observada pela primeira vez a colisão de duas estrelas de neutrões, o que se seguiu confirmou que as quilonovas produzem elementos pelo processo r. Os cientistas detetaram estrôncio, o 38.º elemento da tabela periódica.

O James Webb observa a quilonova de GRB230307A

Quando uma explosão de raios gama, designada GRB230307A, foi detetada em março desse ano, os cientistas prepararam-se imediatamente para a examinar de perto. A GRB230307A foi verdadeiramente espetacular: uma das explosões de raios gama mais brilhantes alguma vez observadas, 1 000 vezes mais brilhante do que o habitual e mais de um milhão de vezes mais brilhante do que toda a Via Láctea.

A sua duração também foi invulgarmente longa, rondando os 200 segundos. Pensa-se que uma duração tão longa seja característica de uma supernova, já que as explosões de raios gama associadas a quilonovas são muito mais curtas. Ainda assim, as observações em vários comprimentos de onda mostraram que o perfil dos vestígios da explosão era compatível com uma origem numa quilonova.

Como se sabe que as quilonovas são uma fonte de elementos do processo r, os astrónomos pediram para observar a origem da explosão com o JWST, que capta radiação infravermelha.

A 5 de abril, apontaram o telescópio para a luminosidade remanescente, que nessa altura apresentava uma componente infravermelha significativa, e recolheram espetros.

Os dados revelaram a presença de telúrio, o 52.º elemento da tabela periódica, um elemento bastante pesado. Isto significa que é provável que existam outros elementos do processo r no material em expansão expelido pela colisão das estrelas de neutrões, embora sejam necessárias mais observações para o confirmar.

A origem das estrelas de neutrões

A explosão ocorreu num local muito invulgar: no espaço intergaláctico, a 120 000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os investigadores determinaram que as duas estrelas de neutrões provavelmente tiveram origem nessa galáxia como estrelas normais e de grande massa. Quando cada uma delas se tornou uma supernova, uma após a outra, em momentos anteriores, a força das explosões terá sido suficiente para as projetar para fora da galáxia.

Segundo os investigadores, ainda há muito a aprender com este acontecimento fascinante.

«Até há pouco tempo, não pensávamos que as fusões pudessem alimentar explosões de raios gama durante mais de dois segundos», diz o astrónomo Ben Gompertz, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido.

«A nossa próxima tarefa é encontrar mais fusões destas, de longa duração, e compreender melhor o que as impulsiona e se estão a ser criados elementos ainda mais pesados. Esta descoberta abriu caminho a uma compreensão transformadora do nosso Universo e do seu funcionamento.»

A investigação foi publicada na Nature.