Kilonova de estrelas de nêutrons vista pelo Telescópio Espacial James Webb revela telúrio em GRB230307A

A explosão de uma kilonova, desencadeada quando duas estrelas de nêutrons colidiram a cerca de 1 bilião de anos-luz, revelou-se uma verdadeira fábrica de elementos pesados raros.

Foi a primeira vez que o Telescópio Espacial James Webb investigou um evento desse tipo. Depois de uma enorme rajada de raios gama registada em 7 de março de 2023, os dados do telescópio apontaram evidências de telúrio - um metal raro e pesado demais para ser produzido no interior das estrelas por fusão.

Os resultados também sugerem a presença de outros metais, como tungsténio e selénio. Segundo os investigadores, a descoberta reforça que fusões de estrelas de nêutrons são uma fonte de elementos pesados, uma peça essencial para compreender como o nosso Universo cria matéria e a dispersa pelo espaço.

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

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

Como as estrelas produzem elementos - e onde a fusão já não chega

As estrelas são, de facto, extraordinárias. Elas pegam no hidrogénio, que compõe a maior parte da matéria visível do Universo, e juntam os seus átomos repetidas vezes para formar elementos mais pesados: hidrogénio vira hélio, e depois esses átomos mais pesados dão origem a outros ainda mais pesados, até chegar ao ferro.

A partir daí, porém, o motor de fusão das estrelas perde eficiência. Fundir ferro para criar elementos mais pesados exige gastar mais energia do que a reação devolve; isso coloca a estrela num caminho que tende a terminar numa explosão sob o peso da sua própria gravidade.

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

Para funcionar, essas reações precisam ocorrer rapidamente, antes que o decaimento radioativo tenha tempo de acontecer e impedir que novos nêutrons sejam incorporados ao núcleo. Em outras palavras, elas exigem regiões com muitos nêutrons livres - como num evento de supernova ou de kilonova. Esse mecanismo de nucleossíntese é conhecido como processo de captura rápida de nêutrons, o processo-r.

Quando, em 2017, foi observada pela primeira vez a colisão de duas estrelas de nêutrons, o que se viu depois confirmou que kilonovas produzem elementos do processo-r. Os cientistas detetaram estrôncio, o 38º elemento da tabela periódica.

O que o Telescópio Espacial James Webb encontrou na kilonova de GRB230307A

Em março deste ano, quando uma rajada de raios gama chamada GRB230307A foi apanhada em plena emissão, a comunidade científica voltou-se imediatamente para o fenómeno. A GRB230307A foi realmente impressionante - uma das rajadas de raios gama mais brilhantes já vistas, 1.000 vezes mais intensa do que o habitual e mais de um milhão de vezes mais brilhante do que toda a Via Láctea.

Outro aspeto fora do comum foi a duração, de cerca de 200 segundos. Um sinal tão prolongado costuma ser associado a uma supernova - já que as rajadas de raios gama ligadas a kilonovas tendem a durar muito menos. No entanto, observações em múltiplos comprimentos de onda mostraram que o perfil do fenómeno após a rajada era compatível com uma origem em kilonova.

Como kilonovas são fontes conhecidas de elementos do processo-r, os astrónomos solicitaram observações em infravermelho do JWST para examinar o local da explosão.

Em 5 de abril, o telescópio foi apontado para o brilho remanescente - que, nessa altura, já tinha uma componente significativa no infravermelho - e foram recolhidos espectros.

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

Um local improvável: a explosão no espaço intergaláctico

Vale notar também que a explosão ocorreu num sítio particularmente estranho: no espaço intergaláctico, a 120.000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os investigadores 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 no passado - uma após a outra -, o impulso das explosões foi suficiente para as lançar para fora da galáxia.

Segundo os autores, este evento fascinante ainda tem muito a ensinar.

"Até recentemente, não achávamos que fusões pudessem alimentar rajadas 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 destas 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 uma compreensão transformadora do nosso universo e de como ele funciona".

A pesquisa foi publicada na revista Nature.