Cálculo preciso da produção estelar de hélio

2003-03-17

Ilustração de como seria o Universo quando tinha apenas uma fracção da sua idade actual, no qual a força gravitacional terá formado galáxias a partir da massa de estruturas filamentares. Crédito: F. Summers (Princeton), D. Cox, R. Patterson, E. Wesselak, and B. Sanders (NCSA), L. Carpenter (Pixar), GC3, Cosmic Voyage, Smithsonian.
Três minutos depois do Big Bang, quando a temperatura do Universo era de mil milhões de graus, protões
protão
Partícula que, juntamente com o neutrão, constitui os núcleos atómicos. Todos os átomos têm pelo menos um protão e é o número de protões que determina o elemento químico do átomo. Os protões têm carga eléctrica positiva. Os protões são formados por três quarks (dois u e um d), são bariões (e hadrões), e o seu spin é um número semi-inteiro.
e neutrões
neutrão
Partícula que, juntamente com o protão, constitui os núcleos atómicos. Exceptuando o hidrogénio, todos os átomos têm neutrões, e é o número de neutrões que determina o isótopo de determinado elemento químico. Os neutrões têm carga eléctrica neutra. Os neutrões são formados por três quarks (dois "d" e um "u"), são bariões (e hadrões) e o seu spin é um número semi-inteiro. Os neutrões livres declinam por decaímento beta, com um tempo de semi-vida de 10,8 minutos, originando um protão, um electrão e um neutrino. No núcleo atómico, o neutrão é tão estável quanto o protão.
combinaram-se para formar núcleos de átomos
átomo
O átomo é a menor partícula de um dado elemento que tem as propriedades químicas que caracterizam esse mesmo elemento. Os átomos são formados por electrões à volta de um núcleo constituído por protões e neutrões.
de elementos químicos
elemento químico
Elemento composto por um único tipo de átomos. Os elementos químicos constituem a Tabela Periódica.
leves - essencialmente, hidrogénio e hélio, e um pouco de lítio. Algumas centenas de milhões de anos depois, começaram a formar-se estrelas
estrela
Uma estrela é um objecto celeste gasoso que gera energia no seu núcleo através de reacções de fusão nuclear. Para que tal possa suceder, é necessário que o objecto possua uma massa superior a 8% da massa do Sol. Existem vários tipos de estrelas, de acordo com as suas temperaturas efectivas, cores, idades e composição química.
, em cujos interiores se produzem os elementos químicos mais pesados. Através de diversos fenómenos, incluindo ventos estelares e explosões de supernovas
supernova
Uma supernova é a explosão de uma estrela no final da sua vida. As explosões de supernova são de tal forma violentas e luminosas que o seu brilho pode ultrapassar o brilho de uma galáxia inteira. Existem dois tipos principais de supernova: as supernovas Tipo Ia, que resultam da explosão duma estrela anã branca que, no seio de um sistema binário, rouba matéria da estrela companheira até a sua massa atingir o limite de Chandrasekhar e então colapsa; e as supernovas Tipo II, que resultam da explosão de uma estrela isolada de massa elevada (com massa superior a cerca de 4 vezes a massa do Sol) que esgotou o seu combustível nuclear e expeliu as suas camadas externas, restando apenas um objecto compacto (uma estrela de neutrões ou um buraco negro).
, as estrelas devolvem ao meio interestelar
meio interestelar
O meio interestelar é constituído por toda a matéria existente no espaço entre as estrelas. Cerca de 99% da matéria interestelar é composta por gás, sendo os restantes 1% dominados pela poeira. A massa total do gás e da poeira do meio interestelar é cerca de 15% da massa total da matéria observável da nossa galáxia, a Via Láctea. A matéria do meio interestelar existe em diferentes regimes de densidade e temperatura, como por exemplo as nuvens moleculares (frias e densas) ou o gás ionizado (quente e ténue).
os produtos que produziram. As próximas gerações de estrelas formam-se, então, a partir de matéria com uma composição química mais enriquecida em elementos pesados.

Estrelas ricas em hélio são mais quentes e luminosas e, por isso, vivem menos tempo do que as estrelas cuja composição química possui mais elementos pesados. A taxa de produção de hélio relativamente aos elementos mais pesados tem grande interesse para os astrofísicos e cosmólogos. Por um lado, este quociente governa a longevidade das estrelas. Mas também é uma variável importante na determinação da idade das galáxias
galáxia
Um vasto conjunto de estrelas, nebulosas, gás e poeira interestelar gravitacionalmente ligados. As galáxias classificam-se em três categorias principais: espirais, elípticas e irregulares.
, que por sua vez entra nas equações que descrevem a misteriosa e, até agora, não observada energia escura, que hoje acredita-se constituir cerca de 73% do Universo.

Um novo estudo, apresentado no jornal Science em Março de 2003, permitiu calcular com grande precisão a taxa de produção de hélio nas estrelas. O hélio representa entre 27 e 30% da matéria do Universo hoje, mas este trabalho de investigação mostra que há 14 mil milhões de anos era apenas 24 a 25% da matéria do Universo primordial. Os resultados indicam que as estrelas ricas em elementos pesados produzem cerca de 2,1±0,4 vezes mais hélio do que os outros elementos químicos, levando a este enriquecimento cósmico de hélio.

Calcular a produção de hélio não é uma tarefa fácil. Neste caso, foi realizada através de observações do efeito indirecto do hélio na temperatura de estrelas cuja composição química é conhecida e cuja temperatura não é afectada pela idade. A análise espectroscópica de estrelas anãs
estrela anã
Uma estrela anã, também dita estrela da sequência principal, é uma estrela não evoluída, que ainda se encontra na fase de fusão do hidrogénio em hélio, no seu núcleo.
do tipo K - estrelas menores do que o Sol
Sol
O Sol é a estrela nossa vizinha, que se encontra no centro do Sistema Solar. Trata-se de uma estrela anã adulta (dita da sequência principal) de classe espectral G. A temperatura na sua superfície é aproximadamente 5800 graus centígrados e o seu raio atinge os 700 mil quilómetros.
e com temperaturas à superfície inferiores a 8000 graus Kelvin - permitiu determinar a quantidade de hélio. Também utilizaram medições de distância e luminosidade
luminosidade
A luminosidade (L) é a quantidade de energia que um objecto celeste emite por unidade de tempo e em determinado comprimento de onda, ou em determinada banda de comprimentos de onda.
das estrelas, efectuadas pelo satélite Hiparco (ESA
European Space Agency (ESA)
A Agência Espacial Europeia foi fundada em 1975 e actualmente conta com 15 países membros, incluindo Portugal.
), factores que ajudam a determinar a composição química das estrelas. Das 10 000 estrelas cujas luminosidades foram medidas pelo Hiparco, algumas eram demasiado quentes para a análise pretendida e outras eram demasiado frias. Estudaram 31 estrelas anãs K que eram apropriadas.

Este trabalho científico foi realizado por investigadores da Universidade da Pensilvânia (EUA), da Universidade de Delaware (EUA), do Observatório de Tuorla (Finlândia) e da Universidade de Swinburne (Austrália), liderados por R. Jimenez.

Fonte da notícia: http://www.udel.edu/PR/UDaily/2003/stellar031203.html