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O Chandra, o Cosmos e a Química | Universo Racionalista

Cassiopeia-A. Crédito: NASA/CXC/SAO

Química, o estudo das danças intrincadas e dos agrupamentos de elétrons de baixa energia que formam as moléculas dos vários elementos que compõe o mundo em que vivemos, pode parecer distante do calor termonuclear no interior das estrelas e do poder das supernovas. No entanto, existe uma ligação fundamental entre elas.

A formação dos elementos começou cerca de 14 bilhões de anos atrás, nos primeiros minutos do Big Bang. Após esses 20 minutos, a matéria comum no Universo era uma mistura de 75% prótons e núcleos de hidrogênio, 25% núcleos de hélio e elétrons livres, que começariam a se juntar em átomos em algumas centenas de milhares de anos depois. Essencialmente, a história da formação dos elementos pode ser dividida em duas fases principais: uma que terminou depois dos primeiros 20 minutos, e a outra que está em curso desde a formação das primeiras estrelas, há mais de 13 bilhões de anos.

Após os 20 minutos iniciais, o Universo em expansão resfriou abaixo do ponto onde a fusão nuclear poderia operar. Isso significava que nenhuma evolução da matéria poderia ocorrer até que as estrelas fossem formadas alguns milhões de anos mais tarde, quando o acúmulo de elementos mais pesados que o hélio pudesse começar.

Estrelas evoluem através de uma sequência de estágios em que as reações de fusão nuclear em suas regiões centrais acumulam hélio e outros elementos. A energia fornecida por reações de fusão cria a pressão necessária para segurar a estrela contra a gravidade. Ventos de gás que escapam das estrelas distribuem um pouco dessa matéria transformada no espaço de uma forma relativamente suave e as supernovas fazem isso violentamente.

 

A imagem do Chandra da SNR Cassiopeia-A mostra material ejetado rico em ferro fora do material ejetado rico em silício, indicando assim que mistura turbulenta e uma explosão asférica virou grande parte da estrela original do avesso.
A imagem do Chandra da SNR Cassiopeia-A mostra material ejetado rico em ferro fora do material ejetado rico em silício, indicando assim que mistura turbulenta e uma explosão asférica virou grande parte da estrela original do avesso.

Imagens e espectros de remanescentes de supernovas individuais do Chandra revelam nuvens de gás ricas em elementos como oxigênio, silício, enxofre, cálcio e ferro, e acompanham a velocidade com que estes elementos foram ejetados na explosão. A imagem do Chandra da SNR Cassiopeia-A mostra material ejetado rico em ferro fora do material ejetado rico em silício, indicando assim que mistura turbulenta e uma explosão asférica virou grande parte da estrela original do avesso. Observações de linhas de emissão Doppler para Cassiopeia A e outras remanescentes de supernovas estão fornecendo informação tridimensional sobre a distribuição e velocidade do material ejetado da supernova que irá ajudar a restringir modelos para a explosão. Em observações da mesma linha da remanescente de supernova N49 revelam uma nuvem de gás na forma de uma bala rica em neon, silício e enxofre que foram ejetados para o gás circundante, a uma velocidade de 5 milhões de km/h.

 

N49. Crédito: NASA/STScI/UIUC/Y.H.Chu & R.Williams et al.
N49. Crédito: NASA/STScI/UIUC/Y.H.Chu & R.Williams et al.

Em uma escala maior, as observações de galáxias submetidas a surtos de formação de estrelas mostram que vastas regiões destas galáxias foram enriquecidas pela ação combinada de milhares de supernovas. O sistema de galáxias Antenas foi produzido pela colisão de duas galáxias. Esta colisão criou explosões de formação estelar e, alguns milhões de anos mais tarde, milhares de supernovas que aqueceram e enriqueceram nuvens de gás com milhares de anos-luz de extensão.

Um agente inesperado para a distribuição de elementos pesados ​​em toda a galáxia é um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia. Gás em espiral na direção dos buracos negros podem sobreaquecer e produzir um vento de gás que flui para longe do buraco negro, ou pode criar um intenso campo eletromagnético que impulsiona material enriquecido nos alcances exteriores da galáxia e além.

O gás enriquecido pode também ser retirado de uma galáxia, se a galáxia cair em um aglomerado de galáxias. A pressão do gás quente difuso que permeia um aglomerado de galáxias sopra o gás para fora da galáxia, para o meio intergalático, enriquecendo-o.

Em uma escala maior ainda, o oxigênio tem sido detectado em filamentos galáticos de milhões de anos-luz de comprimento. Esse oxigênio foi provavelmente produzido há mais de 10 bilhões de anos, em algumas das primeiras supernovas que ocorreram na história do Universo. Se a taxa de supernovas fica tão alta, os efeitos combinados de muitas ondas de choque de supernovas dirigem um vento em escala galática que sopra o gás para fora da galáxia. Um bom exemplo é a galáxia M82.

 

M82. Crédito: Inset: X-ray: NASA/CXC/Tsinghua Univ./H. Feng et al.; Full-field: X-ray: NASA/CXC/JHU/D.Strickland; Optical: NASA/ESA/STScI/AURA/The Hubble Heritage Team; IR: NASA/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht
M82. Crédito: Inset: X-ray: NASA/CXC/Tsinghua Univ./H. Feng et al.; Full-field: X-ray: NASA/CXC/JHU/D.Strickland; Optical: NASA/ESA/STScI/AURA/The Hubble Heritage Team; IR: NASA/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht

Ventos galácticos como o de M82 são raros hoje em dia, mas eram comuns bilhões de anos atrás, quando as galáxias eram muito jovens e as estrelas estavam se formando rapidamente por causa de colisões frequentes entre galáxias. O Chandra mostrou que o Sculptor Wall, uma coleção de gás e galáxias que se estende por dezenas de milhões de anos-luz, contém um vasto reservatório de gás enriquecido com oxigênio dos ventos galáticos. O Wall Sculptor é considerado parte de uma enorme teia de gás quente difuso que pode conter até metade de toda a matéria comum no Universo.

Como o enriquecimento do gás interestelar e intergalático avançou sobre vastas extensões de espaço e tempo, a química do cosmos tornou-se mais rica também. As gerações subsequentes de estrelas se formaram a partir do gás interestelar enriquecido em elementos pesados​​. Nosso Sol, Sistema Solar, e de fato a existência de vida na Terra são resultados diretos desta longa cadeia de nascimento, morte e renascimento estelar. Desta forma, a evolução da matéria, estrelas e galáxias estão todas intrinsecamente ligadas e assim também estão astronomia e química.

 

Fonte: O Chandra, o Cosmos e a Química | Universo Racionalista

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