JWST revela telúrio em kilonova de colisão de estrelas de nêutrons a um bilhão de anos-luz

A explosão de kilonova provocada pelo choque de duas estrelas de nêutrons a um bilhão de anos-luz de distância acabou por se revelar uma verdadeira fábrica de elementos pesados raros.

Foi a primeira vez que o James Webb Space Telescope analisou de perto um evento desse tipo; e, após um colossal surto de raios gama registado em 7 de março de 2023, os dados do telescópio mostraram evidências de telúrio - um metal raro, pesado demais para ser produzido no interior das estrelas pelo processo de fusão.

Também surgiu indício de outros metais, como tungsténio e selénio. Segundo os investigadores, o achado reforça que as fusões de estrelas de nêutrons são uma fonte de elementos pesados - uma peça essencial para entender como o Universo produz matéria e a distribui pelo espaço.

"Existem apenas algumas poucas kilonovas conhecidas, e esta é a primeira vez que conseguimos observar o pós-evento de uma kilonova com o James Webb Space Telescope", diz o astrofísico Andrew Levan, da Radboud University, que liderou a análise.

Ele acrescenta: "Pouco mais de 150 anos depois de Dmitri Mendeleev ter escrito a tabela periódica dos elementos, finalmente estamos numa posição de começar a preencher aquelas últimas lacunas sobre de onde veio tudo o que foi feito".

Como as estrelas fabricam elementos - e onde esse processo para

As estrelas são, de facto, impressionantes. Elas pegam o hidrogénio que compõe a maior parte da matéria visível do Universo e vão unindo os seus átomos, repetidas vezes, para criar elementos mais pesados: hidrogénio vira hélio; depois, esses átomos mais pesados dão origem a outros ainda mais pesados, num encadeamento que chega até ao ferro.

Só que é aí que o “motor” de fusão das estrelas perde a força. Fundir ferro para gerar elementos mais pesados exige mais energia do que a reação devolve, empurrando a estrela para um destino inevitável: colapsar e explodir sob o peso da própria gravidade.

Essa explosão energética, porém, também pode desencadear uma sequência de reações nucleares em que núcleos atómicos colidem com neutrões livres, sintetizando elementos ainda mais pesados.

Para funcionar, essas reações têm de ocorrer depressa o suficiente para que o decaimento radioativo não aconteça antes de mais neutrões serem incorporados ao núcleo. Isso implica um ambiente com muitos neutrões livres “à deriva” - como no interior de uma supernova ou de uma kilonova. Esse mecanismo específico de nucleossíntese é conhecido como processo rápido de captura de neutrões, o r-process.

Quando, em 2017, duas estrelas de nêutrons foram vistas a colidir pela primeira vez, o que se observou depois confirmou que kilonovas produzem elementos do r-process. Os cientistas detetaram estrôncio, o 38.º elemento da tabela periódica.

GRB230307A: um surto de raios gama extremo que levou ao JWST

Quando um surto de raios gama chamado GRB230307A foi observado em março deste ano, os cientistas imediatamente voltaram os seus instrumentos para investigar. O GRB230307A foi mesmo extraordinário - um dos surtos de raios gama mais brilhantes já vistos, 1,000 vezes mais intenso do que o típico e mais de um milhão de vezes mais brilhante do que toda a Via Láctea.

Ele também durou um tempo invulgarmente longo, cerca de 200 segundos. Essa duração prolongada costuma ser associada a uma supernova - já que surtos de raios gama ligados a kilonovas tendem a ser muito mais curtos. Ainda assim, observações em múltiplos comprimentos de onda mostraram que o perfil do brilho remanescente era compatível com uma origem em kilonova.

Como kilonovas são fontes conhecidas de elementos do r-process, astrónomos solicitaram observar a região da explosão com o JWST no infravermelho.

Em 5 de abril, apontaram o telescópio para o brilho - que, nesse momento, já apresentava uma componente infravermelha significativa - e recolheram espectros.

Telúrio no ejecta e pistas de outros metais pesados

Esses dados revelaram a presença de telúrio, o 52.º elemento na tabela periódica. Trata-se de um elemento bastante pesado. Isso indica que é provável que haja outros elementos do r-process no material expelido em expansão pela colisão das estrelas de nêutrons, embora sejam necessárias mais observações para confirmar.

Uma explosão num lugar improvável: o espaço intergaláctico

Também vale notar que a explosão aconteceu num local realmente estranho: no espaço intergaláctico, a 120,000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os investigadores concluíram que essa galáxia provavelmente foi onde as duas estrelas de nêutrons nasceram, quando ainda eram estrelas massivas “normais”; e que, quando cada uma explodiu como supernova no passado - uma após a outra -, a força das explosões foi suficiente para lhes dar um impulso e lançá-las para fora da galáxia.

Os investigadores afirmam que ainda há muito a aprender com este evento.

"Até recentemente, não achávamos que fusões pudessem alimentar surtos de raios gama por mais de dois segundos", diz o astrónomo Ben Gompertz, da University of 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 revista Nature.