Físicos propõem algo inesperado: Bombas atômicas de fissão podem deflagrar supernovas em Anãs Brancas
Em um interessante estudo publicado no periódico Physical Review Letters (1), pesquisadores propuseram que massivas supernovas (explosão estelar) associadas às Anãs Brancas podem ser engatilhadas, literalmente, pela explosão de uma bomba atômica feita de urânio no interior dessas estrelas. Na análise teórica dos pesquisadores, eles explicaram como ocorreria a acumulação de uma massa crítica de urânio para a explosão inicial via fissão nuclear e subsequente deflagração da supernova.
As Anãs Brancas são remanescentes estelares com densidades altíssimas e suportadas por um fenômeno quântico chamado de ‘degenerância de elétrons’ (1). O nosso Sol daqui a 5 bilhões de anos também se transformará em uma anã branca após passar pela fase de Gigante Vermelha. As anãs brancas também atravessam por um longo processo de resfriamento e cristalização (1), e aquelas derivadas de estrelas muito massivas (até 10 vezes a massa solar) possuem significativas quantidades de elementos químicos mais pesados, incluindo actinídeos (metais de transição interna com alto número atômico, Z, do período 7 da tabela periódica). Entre os actinídeos, temos o urânio (Z = 92). As anãs brancas são basicamente constituídas de oxigênio (O) e de carbono (C), e urânio estaria presente em concentrações muito baixas, em torno de 1 parte por trilhão.
(1) Para mais informações sobre as anãs brancas e o processo de cristalização dessas estrelas, acesse: Várias estrelas que vemos no céu são bolas de cristal
Anãs brancas frequentemente explodem em poderosas supernovas, com uma energia luminosa emitida equivalente a 5 bilhões de Sóis, e astrônomos têm tradicionalmente usado esses eventos como “velas de referência” para medir grandes distâncias ao longo do universo. Porém, ainda não é muito bem entendido como as massivas explosões termonucleares associadas a essas supernovas (SN Ia) ocorrem. Têm sido proposto que a SN Ia de uma anã branca em um sistema binário pode ser o resultado da interação dessa última com sua estrela companheira (uma estrela convencional ou outra anã branca).
No novo estudo, os pesquisadores propuseram e teoricamente testaram um mecanismo completamente novo para explicar a explosão termonuclear das anãs brancas, e sem a necessidade de uma estrela companheira.
Durante o processo de resfriamento, as anãs brancas eventualmente se solidificam em uma grande bola de cristal ao longo de bilhões de anos. Porém, durante o processo de cristalização, os elementos químicos ali presentes com um maior número atômico (Z) provavelmente irão separar da fase primeiro, ou seja, irão se solidificar primeiro. Urânio (U) puro (Z = 92) possui uma temperatura de fusão 95 vezes maior do que a temperatura de fusão do carbono (C) – principal constituinte das anãs brancas – e irão se separar da fase na cristalização. Quando uma anã branca de considerável massa começa a se cristalizar, os primeiros sólidos, portanto, irão estar fortemente enriquecidos em actinídeos, devido ao fato desses elementos possuírem o maior Z entre os elementos presentes nessas estrelas. Isso é válido mesmo se a abundância inicial de actinídeos seja muito baixa.
Nesse sentido, os primeiros sólidos cristalinos nessas estrelas podem estar tão enriquecidos em urânio-235 a ponto (massa crítica) de suportarem uma reação em cadeia espontânea de fissão atômica, como ocorre nas bombas atômicas baseadas em fissão criadas pelos humanos (ex.: bomba atômica de urânio Little Boy lançada em Hiroshima em 1945) (2). Essa reação em cadeia, por sua vez, forneceria energia suficiente para deflagrar a fusão do carbono na anã branca, produzindo uma supernova termonuclear (SN Ia). Esse processo seria similar ao que ocorre com as bombas termonucleares (bombas H) criadas pelos humanos, onde uma explosão de fissão nuclear é usada como gatilho para fundir isótopos de hidrogênio (ex.: Tsar Bomba detonada pelos Soviéticos) (2).
(2) Para mais informações sobre as bombas atômicas, acesse: O que é uma Bomba de Hidrogênio?
Para esse processo proposto ser possível, a massa crítica de urânio não precisaria ser grande. Como a matéria na anã branca é muito degenerada, se uma reação de fissão é iniciada, esta provavelmente seria instável. Devido à degenerância, um grande aumento na temperatura não precisa aumentar a pressão em grande escala ou significativamente reduzir a densidade. Sob essas condições, uma reação de fissão pode aumentar a temperatura o suficiente para a ignição do carbono.
Através de cálculos teóricos, os pesquisadores resolveram testar esse cenário. Eles calcularam que flocos minúsculos contendo urânio, tório e chumbo se precipitariam primeiro nas primeiras centenas de milhões de anos à medida que a anã branca fosse sendo resfriada, com as concentrações de urânio-235 no núcleo dramaticamente aumentando para níveis tão altos quanto 1 em cada 10 partes. Nesse ponto, os pesquisadores mostraram que teríamos uma bomba pronta para explodir, e com concentração de impurezas capazes de absorver os nêutrons emitidos dos núcleos de urânio-235 não grande o suficiente para impedir a reação em cadeia.
Parte do calor gerado pela explosão atômica seria perdida localmente via condução térmica, por causa da alta condutividade térmica dos elétrons degenerados na estrutura da estrela. Porém, a reação em cadeia de fissão seria muito rápida, com produção de energia aumentando exponencialmente e suficiente para compensar de forma robusta essa perda parcial de energia térmica. Para o gatilho termonuclear envolvendo os átomos de carbono, seria necessária uma massa mínima de 5 mg ser aquecida acima de 5 x 10^9 K. Os pesquisadores calcularam que a bomba de urânio forneceria temperaturas acima de 2 x 10^10 K, suficiente para a ignição do carbono. Após a ignição, a deflagração pode possivelmente se transformar em uma detonação.
Os pesquisadores concluíram que é, de fato, plausível que uma reação em cadeia de fissão atômica dentro de uma anã branca pode dar o gatilho para uma supernova termonuclear. Agora, segundo os autores do estudo, o próximo passo é testar essa hipótese através de simulações em supercomputadores.
> Leitura complementar e recomendada: Como são formados os elementos químicos?
(1) REFERÊNCIA
- Horowitz & Caplan (2021). Actinide Crystallization and Fission Reactions in Cooling White Dwarf Stars. Physical Review Letters 126, 131101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.131101
Reviewed by Saber Atualizado
on
março 21, 2021
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