JWST deteta telúrio numa kilonova após a explosão de raios gama GRB230307A

A explosão de kilonova gerada quando duas estrelas de nêutrons colidiram, a cerca de um bilião de anos-luz, acabou por se revelar uma verdadeira fábrica de elementos pesados raros.

Foi a primeira vez que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) investigou um evento desse tipo. Após uma enorme explosão de raios gama registada em 7 de março de 2023, os dados do telescópio mostraram indícios de telúrio - um metal raro e pesado demais para ser produzido no interior das estrelas apenas pelo processo de fusão.

Os sinais também sugerem a presença de outros metais, como tungsténio e selénio. Para os investigadores, o achado reforça a ideia de que fusões de estrelas de nêutrons são uma fonte relevante de elementos pesados - uma peça essencial para entendermos como o Universo forma matéria e a distribui pelo espaço.

"Há apenas um punhado de kilonovas conhecidas, e esta é a primeira vez que conseguimos observar o pós-evento 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 posição de começar a preencher aquelas últimas lacunas de compreensão sobre onde tudo foi feito".

Como as estrelas fabricam elementos - e onde esse processo deixa de funcionar

As estrelas, no fundo, são notáveis. Elas pegam o hidrogénio que compõe a maior parte da matéria visível do Universo e, repetidamente, unem os seus átomos, produzindo elementos cada vez mais pesados: hidrogénio vira hélio; depois, esses átomos mais pesados dão origem a outros ainda mais pesados, até chegar ao ferro.

Só que é aí que o "motor" de fusão estelar perde a força. Fundir ferro para obter elementos mais pesados exige mais energia do que a reação devolve; o resultado é empurrar a estrela para um destino explosivo, ao ceder sob o peso da própria gravidade.

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

Para dar certo, essas reações precisam ocorrer depressa o suficiente para que o decaimento radioativo não aconteça antes de o núcleo ganhar mais nêutrons. Em outras palavras: é necessário um ambiente cheio de nêutrons livres - como no interior de uma supernova ou de uma kilonova. Esse caminho de nucleossíntese é conhecido como processo de captura rápida de nêutrons, ou processo r.

Quando, em 2017, astrónomos observaram pela primeira vez a colisão de duas estrelas de nêutrons, o que se viu depois confirmou que kilonovas produzem elementos do processo r. Na ocasião, foi detetada a presença de estrôncio, o 38.º elemento da tabela periódica.

A kilonova GRB230307A vista pelo JWST no infravermelho

Quando uma explosão de raios gama chamada GRB230307A foi apanhada a brilhar em março deste ano, a comunidade científica voltou imediatamente a atenção para o fenómeno. A GRB230307A foi realmente impressionante - uma das explosões de raios gama mais brilhantes já vistas, 1,000 vezes mais luminosa do que o habitual e mais de um milhão de vezes mais brilhante do que toda a galáxia Via Láctea.

Ela também teve uma duração invulgarmente longa, por volta de 200 segundos. Em geral, essa duração prolongada é considerada uma assinatura de supernova - explosões de raios gama associadas a kilonovas costumam ser muito mais breves. Porém, observações em múltiplos comprimentos de onda mostraram que o perfil do pós-brilho estava de acordo com uma origem em kilonova.

E como kilonovas são fontes conhecidas de elementos produzidos pelo processo r, os astrónomos solicitaram observar a origem da explosão com o JWST no infravermelho.

Em 5 de abril, apontaram o telescópio para o brilho remanescente - que, a essa altura, já apresentava uma componente infravermelha significativa - e recolheram espectros.

Os dados revelaram a presença de telúrio, o 52.º elemento da tabela periódica. É um elemento bem pesado. Isso indica que, provavelmente, existem outros elementos do processo r no material expelido em expansão pela colisão das estrelas de nêutrons, embora sejam necessárias mais observações para confirmar.

Um local improvável: a explosão ocorreu no espaço intergaláctico

Vale destacar um detalhe estranho: a explosão aconteceu num lugar extremamente incomum, no espaço intergaláctico, a 120,000 anos-luz da galáxia mais próxima. Os investigadores concluíram que essa galáxia provavelmente foi o berço das duas estrelas de nêutrons, ainda quando eram estrelas massivas "normais". Mais tarde, quando cada uma explodiu como supernova - uma após a outra -, o impacto dessas explosões foi suficiente para as lançar para fora da galáxia.

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

"Até há pouco tempo, não achávamos que fusões poderiam alimentar explosões 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 Nature.