Nós tomamos como certo que existe uma tabela periódica com numerosos elementos ( na última contagem, 118) à partir de que no qual podemos construir o mundo ao nosso redor. Mas quando o universo começou com uma grande explosão, iniciou-se sem nenhum elemento. Muitos dos elementos que constituem a Terra e as pessoas sobre ele tiveram de serem criados dentro de fornos nucleares dentro de estrelas e foram apenas liberados uma vez que a estrela chegou o no fim de sua vida. Na verdade, apenas elementos leves como hidrogênio e hélio foram criados no início do universo. Nós podemos usar nosso conhecimento de como as partículas reagem para entender como esses elementos formaram-se em questão de poucos minutos depois dessa grande explosão (big bang).
Alpher, Bethe, Gamow…
“Parece injusto para o alfabeto grego ter um artigo apenas assinado por Alpher e Gamow e então o no do Dr. Hans A. Bethe ( na sua ausência) foi inserido para preparar o manuscrito para impressão”.
-Geoge Gamow, A Criação do Universo ( 1952)
Quando Ralph Alpher defendeu sua tese de PhD em 1948, cerca de 300 pessoal foram assistir.
Defender uma tese não é normalmente uma fonte de muita excitação, no mínimo não além da família próxima do defensor, mas esta foi diferente.
Antes de terminar seu PhD, Alpher, juntamente com seu supervisor George Gamow, tinha escrito e publicado um artigo contra aquela Grande Explosão que teria criado hidrogênio, hélio e outros elementos in certa abundância. Gamow, sempre humorista, sentiu que foi inapropriado publicar um artigo com o nome dos autores tão parecidos com “alpha” e “gama” sem incluir um “beta” – por sorte, Hans Bethe, um amigo de Gamow estava feliz TO OBLIGE e teve seu nome incluído na publicação. Bethe buscou no manuscrito e depois trabalhou em teorias que contribuíram para a deficiencia do artigo inicial.
O artigo foi publicado no Physical Review em primeiro de abril de 1948. Titulado “ The Origen of the Chemical Elements”, descrevia um processo pelo qual todos os elementos conhecidos no universo poderia ter chegado após uma curta existência depois do Big Bang. Isso construiu o trabalho anterior por Gamow que sugeriu os elementos originados “como uma consequência do contínuo processo de construção levado por uma rápida expansão e resfriamento da matéria primordial” – em outras palavras, átomos diferentes são feitos adicionando um núcleo de cada vez, antes que o processo fosse interrompido quando o universo se tornou demasiadamente frio.
Alpher e Gamow (com uma pequena ajuda de Bethe) estabeleceu uma visão de um universo jovem no qual toda matéria foi altamente comprimida em uma “sopa” de nêutrons, alguns no qual foram capazes de escapar e decair em prótons e elétrons enquanto o universo expandiu e tornou-se menos denso. Eles acreditavam que esses novos prótons poderiam então capturar nêutrons, juntos fariam o núcleo de deutério – um isótopo do hidrogênio que tem um próton e um nêutron. Eles então extrapolaram a ideia e disseram que todo que tinha que ser feito para criar um núcleo mais pesado era capturar outro núcleo.
Mas isso é um pouco mais complicado que isto. A ideia do trabalho deles para elementos mais acima do hélio – e produz hidrogênio e hélio, no qual juntos compões 99% da matéria no universo, na correta proporção para explicar suas abundâncias – mas esta falha quando você tenta colocar cinco núcleos juntos. A teoria de Alpher e Gamow falhou novamente usando cada elemento que como uma pedra parando próximo, a teoria foi travada no meio do caminho por um fragmento de informação.
Contudo, isso foi um importante passo na direção certa e foi descrito a maior parte do universo pelo mérito do fato que hidrogênio e hélio compõe uma grande porção disso. A teoria foi reconhecida como significante na época, também. Entre as 300 pessoas na sala da defesa da tese de Alpher, pareceu, que estavam em Washington Post. Depois de sua apresentação, eles correram um artigo com o cabeçalho “World Began in 5 Minutes, New Teory” ( O mundo começou em 5 minutos, a nova teoria) .
Nucleossíntese do Big Bang
Desde que Alpher, Bethe e Gamow publicaram seu artigo, cosmologistas tem feito um monte de trabalho no que diz respeito a formação dos elementos leves no universo jovem. O processo tem um nome: Nucleossíntese do big bang.
Linha do tempo da expansão do universo. Os elementos leves foram criados no distante lado direito neste diagrama no início do universo e tornaram-se átomos neutros por volta de 380,000 anos depois do big bang. Crédito: NASA/WMAP Science Team
Nos primeiros poucos segundos depois do big bang, o universo era muito quente e denso, tornando isso completamente ionizado – todos os prótons, neutros e eletros moviam-se livremente e não se união à formar átomos. Apenas três minutos mais tarde, quando o universo tinha esfriado de 10³² para 109 *C, poderia começar a formação dos elementos leves.
Neste ponto, elétrons estavam ainda vagando livres e apenas os núcleos atômicos poderia forma-se. Prótons foram tecnicamente o primeiro núcleo (quando combinado com um elétron eles compõem um átomo de hidrogênio) e deutério foi o segundo. O núcleo deutério é formado quando prótons e nêutrons fundem e emitem fotos.
Núcleos de deutério e nêutrons podem fundir-se para criar um núcleo de trítio com um próton e dois nêutrons. Quando um núcleo de trítio encontra um próton os dois podem combinar-se em um núcleo de hélio com dois prótons e dois nêutrons, conhecido como He-4. Outro caminho que leva ao hélio é a combinação de um deutério e um próton em um núcleo de hélio com dois prótons, mas apenas um nêutron, He-3. Quando He-3 encontra um nêutron, eles podem fundir-se para formar um núcleo de hélio completo, He-4. Cada passo nestas reações também emite um fóton.
A emissão de fótons pode se um processo lento e há um conjunto de reações que formam deutério e criar núcleos de hélio mais rápido por que elas ignoram a emissão de fótons. Elas começam pela fusão de dois núcleos de deutério e o fim do resultado é um núcleo de He-4 e mais um próton ou um nêutron, dependendo do caminho especifico.
Lítio e berílio foram também feitos em pequeníssimas quantidades. Este processo completo foi cerca de 20 minutos depois do big bang quando o universo tornou-se mais frio e escasso para formar o núcleo.
A abundância de elementos leves pode ser predita usando uma quantidade – as densidade dos bários no tempo da nucleossíntese. Bários são partículas feitas com três quarks, como prótons e nêutrons. Usando a predita densidade do bário pela nucleossíntese do big bang, a massa total do universo teria sido 25% de hélio, 0,01% deutério e mesmo bem menos que teria sido lítio. Estas abundâncias primordiais podem ser testadas, e com certeza, foram. Nos dias de hoje no universo está o hélio visto com uma abundância menor que 23%. Esta é a maior pedaço de evidência para o big bang.
O CMB e suas flutuações como vistas através da missão do WMAP em 2010. Crédito: NASA/WMAP Science Team
O núcleo formado na nucleossíntese do Big Bang tinha que esperar um longo tempo antes dele esfriar juntamente com os elétrons para formar átomos nêutrons. Quando o hidrogênio nêutron foi finalmente feito 380,000 anos depois do Big Bang, as ondas de radiação de micro-ondas de fundo (CMB, Cosmic Microwave Background) foi emitida.
Alpher e seu colega Robert Herman prediram a existência da CMB no final dos anos de 1940 quando eles perceberam que os restos da radiação seria um lado do efeito da recombinação de elétrons com o núcleo atômico. O CMB agora nos proporciona um caminho para checar a dúvida do nosso trabalho com uma medida independente na densidade dos bários. Ao observar as flutuações na CMB, nós encontramos um densidade de bário que daria a leveza abundância dos elementos leves – isso dá a impressão que entendemos realmente o que ocorreu em apenas poucos minutos depois que o universo começou.
fonte: traduzido de : scientific american
