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Neutrinos revelem segredo final de processo de fusão nuclear no Sol

A detecção de partículas geradas no núcleo solar confirma teoria sobre como se dá produção de energia no interior das estrelas

O Sol. Crédito: SOHO (ESA e NASA)

Graças a uma detecção de  neutrinos emanados pelo núcleo solar, uma equipe de físicos solucionou  os últimos detalhes que faltavam ser descobertos  sobre o funcionamento da reação de fusão nuclear que gera energia na estrela. 

A detecção confirma previsões teóricas, feitas há décadas, de que parte da energia do Sol é produzida por uma cadeia de reações que envolve carbono e núcleos de nitrogênio. Esse processo funde quatro prótons  em um núcleo de hélio, liberando dois neutrinos — dentre as partículas elementares que possuem massa, as mais leves que se conhece  —  e também  outras partículas subatômicas, além de quantidade abundante de energia. Essa reação entre carbono e nitrogênio (CN) não é a única via para reações de fusão no Sol — ela responde por  menos de 1% da energia da estrela  — mas se pensa que pode ser a principal  fonte  de energia em estrelas maiores. 

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“Há uma beleza estética em confirmar uma das previsões fundamentais da teoria de estrutura estelar”, diz Marc Pinsonneault, astrofísico na Universidade do Estado de Ohio, em Columbus.

As descobertas, que ainda não foram revisadas, foram relatadas em 23 de junho pelo experimento subterrâneo Borexino, que fica no centro da Itália, na conferência virtual Neutrino 2020.

A instalação já havia feito as primeiras detecções de neutrinos emitidos em três etapas distintas ao longo de outra reação, responsável por produzir a maior parte da fusão no núcleo do Sol. “Com esse resultado, o Borexino desvendou por completo  os dois processos que energizam o Sol”, diz um dos porta-vozes do Borexino, Gioacchino Ranucci, físico da Universidade de Milão, na Itália, que apresentou os resultados. 

As descobertas são um marco histórico final para o Borexino, que ainda está recolhendo dados, mas pode ter seu fim no próximo ano. “Nós terminamos com um grande achado”, diz Marco Pallavicini da Universidade de Gênova, na Itália, outro porta-voz do experimento. 

Um balão no detector

O experimento do neutrino solar do Borexino ocupa um corredor abaixo de mais de um quilômetro de rocha nos Laboratórios Nacionais de Gran Sasso, onde está em operação desde 2007. O detector consiste de um balão gigante de nylon com 278 toneladas de hidrocarboneto líquido imerso na água. A vasta maioria dos neutrinos do Sol atravessa a Terra — e o Borexino — numa linha reta, mas um pequeno número se choca com os elétrons nos hidrocarbonetos, produzindo feixes de luz que são captados por sensores de fótons que ficam no tanque de água.

Os neutrinos gerados pela cadeia de reações CN do Sol são relativamente raros, porque essas reações respondem apenas  por uma pequena fração da fusão solar. Além disso, é fácil confundir os neutrinos CN com aqueles que são produzidos pelo decaimento radioativo do bismuto-210, um isótopo que vaza do nylon de que é feito o balão para dentro da mistura de hidrocarboneto que ele contém. 

Apesar de haver contaminação  em concentrações extremamente baixas — no máximo algumas dezenas de núcleos de bismuto decaem por dia no Borexino — a tarefa de separar o sinal solar do ruído do bismuto requer um esforço meticuloso que começou em 2014. Como não se podia impedir que o bismuto-210 vazasse do balão, o objetivo foi  diminuir a velocidade de infiltração do  elemento no  fluído. Para conseguir isso, a equipe teve de controlar qualquer variação de temperatura no tanque,que pudessem gerar convecção e acelerar a mistura do seu conteúdo. “O líquido deve estar extraordinariamente imóvel, se mexendo no máximo alguns décimos de centímetros por mês”, diz Pallavicini. 

Para manter os hidrocarbonetos à uma temperatura constante e uniforme, todo o tanque foi envolvido com um cobertor isolante e instalaram aparelhos permutadores de calor para regular automaticamente a temperatura. Depois de fazer isso, os pesquisadores aguardaram. Foi somente em 2019 que o ruído do bismuto ficou baixo o suficiente para que o sinal do neutrino se destacasse. No início de 2020, os pesquisadores reuniram partículas em número suficiente para reivindicar a detecção de neutrinos da cadeia de fusão nuclear CN. 

“É a primeira evidência direta de que a queima do hidrogênio através das CN acontece  nas estrelas”, diz Aldo Serenelli, astrofísico no Instituto de Ciências Espaciais em Barcelona, na Espanha. “Isso é realmente incrível”. 

Além de confirmar as previsões teóricas sobre a geração de energia no  Sol, a detecção dos neutrinos CN poderia trazer revelações sobre  a estrutura de seu núcleo — mais especificamente as concentrações de elementos que os astrofísicos chamam de metais (qualquer coisa mais pesada do que o hidrogênio e o hélio). 

O volume  de neutrinos observadas pelo Borexino parece consistente com o modelo padrão,  no qual  o núcleo do Sol possui uma “metalicidade” que é similar à da sua superfície. Mas estudos recentes começaram a questionar essa suposição, diz Serenelli. 

Esses estudos sugerem que a metalicidade é menor. E como esses elementos regulam a velocidade com que  o calor se difunde a partir do núcleo solar, isso implica que o núcleo seja  um pouco mais frio do que dizem estimativas anteriores. A produção de neutrinos é extremamente sensível  à temperatura e, visto como um todo,   o volume de  neutrinos observados pelo  Borexinos parece ser consistentes com os valores de metalicidade propostos há mais tempo, e não com os mais recentes, diz Serenelli. 

Como uma possível explicação, ele e outros astrofísicos sugeriram que o núcleo possui uma metalicidade maior do que as camadas externas. Sua composição poderia revelar mais sobre os estágios iniciais da vida do Sol, antes que a formação dos planetas pudesse remover parte do material que estava em processo de acreção ao redor da então jovem estrela. 

Esse artigo foi reproduzido com permissão e publicado primeiramente em 24 de junho de 2020

Davide Castelvecchi

Publicado em 29/06/2020