Somos realmente feitos de poeira das estrelas?
 

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Diógenes Henrique13 de novembro de 20172230 min

“Cada átomo de oxigênio inspirado, cada átomo de cálcio nos ossos, assim como átomos de ferro e carbono na musculatura tiveram uma origem muito especifica: apenas o hidrogênio e o hélio (além do deutério e parte do lítio) foram formados no Big Bang, enquanto que os elementos químicos mais pesados foram todos sintetizados no centro das estrelas. (…) Com a morte de estrelas, o gás enriquecido desses elementos pesados foi lançado ao espaço, apenas para se juntar aos restos de milhares de outras estrelas e formar uma nova geração de corpos celestes. O Sol já é uma estrela de terceira geração, e graças a isso a composição química do sistema solar é rica o suficiente para formar a vida como se conhece.” (MENDES, 2011)1

Por que tem-se dito e lido com certa frequência que “somos feitos de pó das estrelas”? Cientistas, como por exemplo o astrofísico Carl Sagan, um dos mais conhecidos astrofísicos e um dos maiores divulgadores científicos até o presente momento e a quem se deve a autoria daquela frase, chegaram a essa conclusão depois de estudarem o surgimento e a evolução do Universo e os processos físicos e químicos que ocorreram (e ocorrem) no interior de estrelas, desde o surgimento do Universo a cerca de 13,3 bilhões anos atrás, segundo as estimativas mais precisas de que dispomos atualmente.

 

Parte I 

Somos todos realmente material estelar?

De Remy Melina para o Live Science

O conhecimento de que todos e tudo na Terra contém minúsculas partículas estelares remonta bem antes da popular canção 2002 de Moby “We Are All Made of Stars”.

No início dos anos 80, o astrônomo Carl Sagan apresentou uma série de televisão chamada “Cosmos” que foi exibida no canal PBS. No programa, Sagan explicou minuciosamente muitos temas relacionados à ciência, incluindo a história da Terra, a evolução, a origem da vida e do Sistema Solar. “Nós somos um meio para o universo conhecer a si mesmo. Uma parte do nosso ser sabe que essa é a nossa origem. Nós desejamos voltar. E podemos, porque o cosmos também está dentro de nós. Nós somos feitos de matéria estrelar”, declarou Sagan em um dos episódios de Cosmos.

Sua declaração resume o fato de que os átomos de carbono, nitrogênio e oxigênio em nossos corpos, bem como os átomos de todos os outros elementos mais pesados que esses, foram e são criados em gerações anteriores de estrelas há mais de 4,5 bilhões de anos. Como os seres humanos e todos os outros animais, bem como a maior parte da matéria na Terra, contêm esses elementos, somos literalmente feitos de matérias estelares, disse Chris Impey, professor de astronomia na Universidade do Arizona.

“Toda matéria orgânica contém carbono que foi produzido originalmente em estrelas”, disse Impey ao Small Mysteries da Life segundo o site Live Science. “O universo era originalmente hidrogênio e hélio, o carbono foi feito posteriormente, ao longo de bilhões de anos”, explica o professor de astronomia.

Como a matéria estelar veio parar na Terra

Quando se esgota o suprimento de hidrogênio de uma estrela, ela pode morrer em uma explosão violenta, chamada nova. A explosão de uma estrela massiva  (sim, a palavra é massiva, um termo técnico da astronomia e da física), chamada de supernova, pode ser bilhões de vezes tão brilhante como o Sol, de acordo com o livro “Supernova” (World Book Inc., 2005). Essa explosão estelar lança uma grande nuvem de poeira e gás no espaço, com a quantidade e a composição do material expelido variando dependendo do tipo de supernova.

Uma supernova atinge seu pico de brilho alguns dias após a sua ocorrência, sendo que durante esse pico ela pode superar o brilho de uma galáxia inteira de estrelas. A estrela morta então continua a brilhar intensamente durante várias semanas antes de desaparecer gradualmente de vista, de acordo com o “Supernova”.

O material de uma supernova então se dispersa por todo o espaço interestelar. As estrelas mais antigas quase exclusivamente consistiam em hidrogênio e hélio, com oxigênio e o resto dos elementos pesados do universo mais tarde provenientes de explosões de supernova, de acordo com “Cosmic Collisions: The Hubble Atlas of Merging Galaxies” (Springer, 2009).

“É uma teoria já bem testada”, disse Impey. “Nós sabemos que as estrelas fazem elementos pesados, e no final de suas vidas, eles expulsam o gás para o meio entre as estrelas para que ele possa fazer parte de estrelas e planetas subsequentes — e pessoas”.

Uma violenta e caótica massa de gás e poeira de um remanescente de supernova nas proximidades é vista nesta imagem do telescópio espacial Hubble. Denominada de N63A, o objeto é os restos de uma estrela maciça que explodiu, espalhando suas camadas gasosas para os arredores. Crédito: NASA, ESA, HEIC, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA). Acknowledgment: Y.-H. Chu and R. M. Williams (UIUC).
Uma violenta e caótica massa de gás e poeira de um remanescente de supernova nas proximidades é vista nesta imagem do telescópio espacial Hubble. Denominada de N63A, o objeto é os restos de uma estrela maciça que explodiu, espalhando suas camadas gasosas para os arredores. Crédito: NASA, ESA, HEIC, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA).  Acknowledgment: Y.-H. Chu and R. M. Williams (UIUC).

Conexões Cósmicas

“Assim, toda a vida na Terra e os átomos em nossos corpos foram criados no forno de estrelas agora mortas”, disse Impey.

Em 2002, o músico Moby lançou “We Are All Made of Stars” (Somos todos feitos de estrelas, em tradução livre), explicando durante uma entrevista que a letra foi inspirada pela física quântica. “Em um nível quântico básico, toda a matéria no universo é essencialmente constituída por poeira das estrelas”, disse ele.

Mais recentemente, o Symphony of Science, um projeto artístico liderado por John Boswell e projetado para fornecer conhecimento científico através de remixes musicais, lançou “We Are All Connected”. A música, que apresenta um clipe com a declaração “We’re made of star stuff” (somos feitos de material estelar) de Sagan, foi criada com o software Auto-Tune.

Parte II 

O que significa ser ‘Star Stuff’?

De Vanessa Janek para o Universe Today

Em um momento ou outro, todos os entusiastas da ciência ouviram as famosas palavras de Carl Sagan: “Somos feitos de matérias das estelas”. Mas o que isso significa exatamente? Como as bolas colossais de plasma, avidamente queimando seu combustível nuclear em um tempo e espaço distantes, podem desempenhar algum papel no surgimento da grande complexidade do nosso mundo terrestre? Como é que “o nitrogênio em nosso DNA, o cálcio nos nossos dentes, o ferro em nosso sangue, o carbono em nossas tortas de maçã” poderiam ter sido forjados tão espontaneamente nas profundezas dos corações desses gigantescos maciços estelares?

Como seria de se esperar, a história é elegante e profundamente inspiradora.

Todas as estrelas provêm de começos humildes: ou seja, um gigantesco e rotativo grupo de gás e pó. A gravidade leva a nuvem a se condensar à medida que gira, girando em uma esfera de material cada vez mais forte. Finalmente, o material na então na proto-estrela está tão denso e quente que os núcleos dos átomos de hidrogênio colidem e se fundem em novos átomos de hélio. Essas reações nucleares liberam poderosas erupções de energia sob a forma de luz e calor. O gás brilha intensamente; uma estrela nasce.

O destino final da nossa jovem estrela depende da sua massa. As estrelas menores e leves queimam o hidrogênio em seu núcleo mais lentamente do que as estrelas mais pesadas, brilhando um pouco mais vagamente, mas vivendo vidas muito mais longas. Ao longo do tempo, no entanto, a queda dos níveis de hidrogênio no centro da estrela causa menos reações de fusão de hidrogênio; menos reações de fusão de hidrogênio significam menos energia e, portanto, menos pressão para o exterior no núcleo da estrela.

Em certo ponto, a estrela não pode mais manter a pressão que seu núcleo sustentou contra a massa de suas camadas externas. A gravidade vira o jogo e as camadas externas começam a cair para dentro no núcleo. Mas esse colapso aquece o material, aumentando a pressão do núcleo estelar e revertendo o processo mais uma vez. Uma nova camada de queima de hidrogênio é criada exatamente no exterior próximo do núcleo, restabelecendo um para-choque contra a gravidade das camadas da superfície da estrela.

Enquanto o núcleo continua a conduzir reações de fusão de hélio de menor energia, a força da nova camada de queima de hidrogênio empurra o exterior da estrela, fazendo com que as camadas externas inchem cada vez mais. A estrela se expande e esfria em uma gigante vermelha. Suas camadas externas acabarão por escapar da atração da gravidade, flutuando no espaço e deixando para trás um núcleo pequeno e morto — uma anã branca.

Estrelas mais pesadas também ocasionalmente vacilam na luta entre pressão e gravidade, criando novas camadas de átomos que irão se fundir e dar continuidade ao processo; no entanto, ao contrário das estrelas menores, o excesso de massa lhes permite continuar formando essas camadas extras. O resultado é uma série de camadas esféricas concêntricas, em que cada camada contém elementos mais pesados do que aquela que a circunda. O hidrogênio dá origem ao hélio. Os átomos de hélio se fundem para formar carbono. O carbono combina com o hélio para criar oxigênio, que se funde em neônio, depois em magnésio, depois em silício… percorrendo todo o caminho ao longo da tabela periódica até o ferro, onde a sequência termina. Essas estrelas massivas atuam como uma fornalha, conduzindo essas reações por meio da energia disponível.

Mas essa energia é um recurso finito. Uma vez que o núcleo da estrela se torna uma sólida bola de ferro, não pode mais fundir elementos para liberar energia. Como foi o caso das estrelas menores, menos reações energéticas no núcleo das estrelas pesadas significam menos pressão interna contra a força da gravidade. As camadas externas da estrela começarão a entrar em colapso, acelerando o ritmo da fusão de elementos pesados e reduzindo ainda mais a quantidade de energia disponível para manter as camadas externas. A densidade aumenta exponencialmente no núcleo em encolhimento, esmagando prótons e elétrons tão fortemente que se tornam uma entidade inteiramente nova: nêutrons.

Neste ponto, o núcleo não pode ficar mais denso. As massivas camadas exteriores da estrela ainda caem para o interior e ainda estão cheias de elementos instáveis — que já não têm nenhum lugar para ir. Eles colidem com o núcleo, como um navio petroleiro cheio de combustível em alta velocidade colidindo contra uma grossa parede de concreto e aço e dando início a uma explosão monstruosa: uma supernova. As extraordinárias energias geradas durante esta explosão, finalmente, permitem a fusão de elementos ainda mais pesados do que o ferro, do cobalto até o urânio.

 

Tabela periódica de elementos. As estrelas massivas podem fundir elementos até o ferro (Fe), de número atômico 26. Os elementos com números atômicos 27 a 92 são produzidos após o colapso do núcleo de uma estrela massiva.
Tabela periódica de elementos. As estrelas massivas podem fundir elementos até o ferro (Fe), de número atômico 26. Os elementos com números atômicos 27 a 92 são produzidos após o colapso do núcleo de uma estrela massiva.

A energética onda de choque produzida pela supernova se dissipa para o cosmos, liberando elementos pesados em seu rastro. Estes átomos podem ser posteriormente incorporados em sistemas planetários como os nossos. Dadas as condições corretas — por exemplo, uma estrela apropriadamente estável e uma posição segura dentro de sua zona habitável — esses elementos fornecem os blocos de construção da vida complexa.

Hoje, nossas vidas cotidianas só são possíveis devido a esses átomos, forjados há muito tempo na força da vida e da morte de estrelas massivas. Nossa capacidade de fazer qualquer coisa — despertar de um sono profundo, desfrutar de uma refeição deliciosa, conduzir um carro, escrever uma frase, somar e subtrair, resolver um problema, ligar para um amigo, rir, chorar, cantar, dançar, correr, pular e brincar — é governada principalmente pelo comportamento de pequenas cadeias de hidrogênio combinadas com elementos mais pesados como carbono, nitrogênio, oxigênio e fósforo.

Outros elementos pesados estão presentes em quantidades menores no corpo, mas são, no entanto, tão vitais quanto aqueles para o bom funcionamento do nosso organismo. Por exemplo, o cálcio, o flúor, o magnésio e o silício trabalham ao lado do fósforo para fortalecer e crescer os nossos ossos e dentes; os íons de sódio, potássio e cloro desempenham um papel vital na manutenção do equilíbrio de fluidos e da atividade elétrica do corpo; e o ferro compreende a porção chave da hemoglobina, a proteína que equipa nossos glóbulos vermelhos com a capacidade de administrar o oxigênio que inalamos para o resto do nosso corpo.

Então, na próxima vez que você estiver tendo um dia ruim, experimente isso: feche seus olhos, respire fundo e contemple a cadeia de eventos que conecta seu corpo e mente a um lugar a bilhões de anos-luz, profundamente ao longe, distante no espaço e no tempo. Lembre-se de que as estrelas massivas, muitas vezes maiores do que o nosso Sol, gastaram milhões de anos transformando energia em matéria, criando os átomos que compõem todas as suas partes, a Terra e todos que você já conheceu e amou.

Nós seres humanos somos tão pequenos; e, no entanto, a delicada dança das moléculas produzidas a partir desta estrela produz uma biologia que nos permite contemplar o nosso Universo mais amplo e a ponderar como chegamos a existir. O próprio Carl Sagan explicou melhor: “Nós somos a maneira do universo conhecer a si mesmo. Alguma parte de nosso ser sabe que é de lá que nós viemos. Nós desejamos retornar. E nós podemos, pois o cosmos está também dentro de nós. Somos feitos de matéria estelar. Somos um meio para o cosmos conhecer a si mesmo.”

Fontes: Live Science – Are We Really All Made of Stars? e Universe Today – What Does It Mean To Be ‘Star Stuff’? 

Referência:

  1. MENDES, C.C.A. As estrelas, uma viagem pela estrutura do átomo — Astroquímica para o estudo do átomo e outros conceitos químicos. Editora Livraria da Física, São Paulo, 2011.

Imagem de capa: A imagem do Telescópio Espacial Chandra mostra o remanescente da SN 1006 liberando material estelar. A supernova que deu origem a essa nuvem explodiu no ano 1.006 a sete mil anos-luz da Terra. Crédito:  NASA/CXC/Rutgers/G.Cassam-Chena, J.Hughes et al. (Clique aqui para os créditos completos.)

Leitura adicional: 

  1. MACIEL, W.J.  Formação Dos Elementos Químicos. IAG/USP. Disponível em: http://www.astro.iag.usp.br/~maciel/teaching/artigos/elementos/elementos.html Acesso em 13 nov 2017;
  2. ROSENFELD, R.A. Origem dos Elementos Químicos. IFT-UNESP. 2008. Disponível em: https://www.ift.unesp.br/br/Home/extensao/astroparticulas3-2008.pdf Acesso em 13 nov 2017;
  3. Livro ABC da Física Nuclear. Departamento de Física Nuclear – Instituto de Física da USP. Disponível em http://portal.if.usp.br/fnc/pt-br/p%C3%A1gina-de-livro/livro-abc-da-f%C3%ADsica-nuclear. Acesso em 13 nov 2017.