JWST encontra telúrio em kilonova de colisão de estrelas de nêutrons

A explosão de uma kilonova, produzida quando duas estrelas de nêutrons se chocaram a cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância, acabou revelando um papel crucial: funcionar como uma espécie de fábrica de elementos pesados raros.

Foi a primeira vez que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) investigou um evento desse tipo. Ao analisar o que restou de um enorme surto de raios gama observado em 7 de março de 2023, os dados do telescópio mostraram indícios de telúrio - um metal raro e pesado demais para ser criado no interior das estrelas apenas por fusão nuclear.

Além disso, apareceu também a possível assinatura de outros metais, como tungstênio e selênio. Segundo os pesquisadores, o achado reforça que fusões de estrelas de nêutrons são uma fonte de elementos pesados - um componente importante para entender como o Universo produz matéria e a distribui pelo espaço.

"Existem apenas um punhado de kilonovas conhecidas, e esta é a primeira vez que conseguimos observar o que acontece após uma kilonova com o Telescópio Espacial James Webb", diz o astrofísico Andrew Levan, da Universidade Radboud, que liderou a análise.

Ele acrescenta: "Pouco mais de 150 anos depois de Dmitri Mendeleev escrever a tabela periódica dos elementos, finalmente estamos em posição de começar a preencher as últimas lacunas sobre onde tudo foi produzido".

Como as estrelas criam elementos - e onde esse processo para

Estrelas são impressionantes. Elas pegam o hidrogénio - que compõe a maior parte da matéria visível do Universo - e, ao longo do tempo, unem os seus átomos repetidamente para formar elementos cada vez mais pesados: hidrogénio vira hélio, e depois esses átomos mais pesados dão origem a outros ainda mais pesados, num caminho que vai até o ferro.

Só que aí o motor de fusão estelar perde a força. Transformar ferro em elementos mais pesados exige gastar mais energia do que a reação devolve, e isso coloca a estrela numa trajetória em que pode acabar explodindo sob o próprio peso gravitacional.

Ainda assim, essa explosão energética também pode desencadear uma sequência de reações nucleares em que núcleos atómicos colidem com nêutrons livres, sintetizando elementos ainda mais pesados.

Para funcionar, essas reações precisam ocorrer rápido o suficiente para que o decaimento radioativo não aconteça antes de novos nêutrons se juntarem ao núcleo. Em outras palavras, isso exige um ambiente com muitos nêutrons soltos - como o interior de uma supernova ou de uma kilonova. Esse tipo de nucleossíntese é conhecido como processo de captura rápida de nêutrons, o processo r.

Quando, em 2017, duas estrelas de nêutrons foram vistas colidindo pela primeira vez, o que veio depois confirmou que kilonovas geram elementos do processo r. Na ocasião, cientistas identificaram a presença de estrôncio, o 38º elemento da tabela periódica.

O que o JWST observou após o GRB230307A

Quando um surto de raios gama chamado GRB230307A foi registado brilhando em março deste ano, cientistas voltaram imediatamente a sua atenção para o fenómeno. O GRB230307A foi extraordinário - um dos surtos de raios gama mais brilhantes já observados, 1,000 vezes mais intenso do que o típico e mais de um milhão de vezes mais brilhante do que toda a Galáxia da Via Láctea.

Outro detalhe chamou atenção: a duração foi incomum, em torno de 200 segundos. Um evento tão longo costuma ser interpretado como sinal de supernova, já que surtos de raios gama associados a kilonovas tendem a durar bem menos. No entanto, observações em vários comprimentos de onda indicaram que o padrão do brilho remanescente era compatível com uma origem em kilonova.

Como kilonovas já eram consideradas uma fonte de elementos do processo r, astrónomos pediram para observar a região da explosão com o JWST no infravermelho.

No dia 5 de abril, apontaram o telescópio para o brilho - que, naquele momento, já tinha um componente infravermelho marcante - e recolheram espectros.

Esses dados revelaram a presença de telúrio, o 52º elemento da tabela periódica. É um elemento bastante pesado. Isso sugere que outros elementos do processo r provavelmente também estejam presentes no material ejetado em expansão pela colisão das estrelas de nêutrons, embora sejam necessárias mais observações para confirmar.

Um detalhe estranho: a kilonova aconteceu fora de uma galáxia

Vale destacar um aspeto particularmente incomum: a explosão ocorreu num lugar realmente estranho, no espaço intergaláctico, a 120,000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os pesquisadores concluíram que essa galáxia provavelmente foi o local de origem das duas estrelas de nêutrons, quando ainda eram estrelas massivas comuns. Depois, quando cada uma explodiu como supernova em algum momento no passado, uma após a outra, a força dessas explosões teria dado um impulso suficiente para arremessá-las para fora da galáxia.

Os cientistas afirmam que ainda há muito a extrair de um evento tão intrigante.

"Até pouco tempo, não achávamos que fusões poderiam alimentar surtos de raios gama por mais de dois segundos", diz o astrónomo Ben Gompertz, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido.

"O nosso próximo trabalho é encontrar mais dessas fusões de longa duração e desenvolver uma compreensão melhor do que as impulsiona - e se elementos ainda mais pesados estão a ser criados. Esta descoberta abriu a porta para um entendimento transformador do nosso universo e de como ele funciona".

A pesquisa foi publicada na Nature.