A fonte de energia das estrelas

Por Victoria Pardinho, Giovani Vicentin e Rafael Ishida, alunos do Prof. Dr. Jorge Meléndez

O que acontece no interior do Sol e de outras estrelas para que elas continuem irradiando sua luz para nós dia após dia?

As noites estreladas sempre fascinaram as pessoas. Olhar para o céu noturno e tentar imaginar os mistérios por trás do universo é uma atividade constante na história. Há certo tempo o brilho das estrelas era um desses mistérios: de onde ele vem e como dura por tanto tempo? As descobertas teóricas que proporcionaram o conhecimento dessa questão fundamental sobre as estrelas foram possíveis através do entendimento dos mínimos detalhes da matéria que as constituem. O estudo do átomo e suas partículas permitiu responder a dúvida sobre a fonte de energia das estrelas há 75 anos, mas a busca por essa resposta é muito mais antiga.

Todo o processo, que levou a essa importante descoberta acerca das estrelas, começou em 1666, quando Isaac Newton descobriu que é possível separar as cores da luz solar passando-a através de um prisma. Quando essa “luz dividida” é projetada em um anteparo, temos a formação do que chamamos de espectro. O arco-íris é um exemplo de espectro natural, sendo que as gotas de chuva atuam com um prisma. As cores espectrais resultantes percebidas são vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. A percepção de diferentes cores se deve ao fato cada uma corresponder a um específico comprimento de onda, sendo o vermelho correspondente ao maior comprimento de onda e o azul ao menor.

No início do século 19, Joseph Fraunhofer, um óptico alemão, que desenvolvia diversos instrumentos ópticos e realizava experimentos com diferentes fontes de luz para produzir artificialmente particulares cores, notou que o espectro do Sol contém linhas escuras de intensidades variáveis em específicos comprimentos de ondas. Então, Fraunhofer começou a catalogar essas linhas verticais e seus comprimentos de ondas, identificando cerca de 500 linhas espectrais, tendo sido designadas com as letras de A a K as linhas mais fortes. Apesar de não conseguir explicar sua origem, ele provou que essas linhas eram uma característica do espectro solar, já que as mesmas apareciam nos espectros da Lua e de outros planetas, que refletem a luz do Sol. Hoje, tais linhas são denominadas de Linhas de Fraunhofer e são muito importantes para a espectroscopia.

Exemplo de um espectro com as suas respectivas "linhas escuras", as linhas de Fraunhofer. Fonte: imagem do Wikpédia. Disponível em: https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Fraunhofer_lines.svg ; Acesso em outubro de 2016.

Foi Gustav Kirchhoff, juntamente com o químico Robert Bunsen, quem demonstrou experimentalmente a causa de tais linhas escuras. Eles mostraram que o espectro de alguns gases e metais aquecidos possuem linhas brilhantes que apareciam exatamente no mesmo comprimento de onda das linhas escuras encontradas por Fraunhofer, deduzindo-se assim que o espectro do Sol é atribuído à absorção da luz por elementos químicos presentes na atmosfera solar. Reunindo suas descobertas com o conhecimento de trabalhos realizados anteriormente por outros cientistas, Kirchhoff formulou regras sobre os tipos de espectros: o contínuo, isto é, sem linhas; o de absorção, resultante da absorção de fótons por átomos de um gás frio quando a luz passa pelo mesmo; e o espectro de emissão, que é produzido por fótons emitidos por um gás excitado.

No final do século 19 e início do 20, as atenções se voltavam para o mundo que não podemos enxergar: o microcosmos. Max Planck, físico alemão, iniciou essa nova linha de pesquisas com o estudo das radiações de “corpo negro”, um objeto totalmente opaco que emite e absorve perfeitamente a radiação. Em 1900, Planck publicou a teoria dos quanta, que afirmava que a transferência de energia é realizada por “quantidades” bem definidas: o quantum. Seguindo o trabalho de Planck, Albert Einstein mostrou que ondas eletromagnéticas (radiação) também poderiam ser descritas como partículas. Mais do que isso, ele demonstrou que sua teoria concordava com os dados experimentais do “efeito fotoelétrico”, que é a emissão de elétrons por materiais sujeitos a radiação com uma determinada energia. Por causa da descrição desse fenômeno, Einstein recebeu em 1921 o Prêmio Nobel de física, além de ser capaz de fornecer a primeira prova indireta da existência de átomos, cuja exata natureza permanecia desconhecida.

Em 1913, um novo passo para e desbravamento da natureza atômica foi dado quando Niels Böhr introduziu um novo e sofisticado modelo para o átomo. Combinando o modelo atômico já proposto por Ernest Rutherford, em 1911, com a teoria dos quanta de Planck, Böhr montou um modelo no qual elétrons carregados negativamente orbitam o núcleo atômico carregado positivamente. Segundo esse modelo, a cada “órbita” (hoje chamadas de níveis de energia) há um valor de energia correspondente, de modo que elas são capazes de comportar um número limitado de elétrons. Esses elétrons podem mudar de órbita ganhando e perdendo energia, ao, respectivamente, absorver e emitir fótons, partículas elementares que não possuem massa e se propagam na velocidade da luz. A partir desse modelo e dos estudos mais aprofundados da luz e sua interação com a matéria (realizados principalmente por James Clerk Maxwell), abriu-se as portas para uma nova área da física: a mecânica quântica.

Modelo Atômico proposto por Niels Böhr. Na imagem, está representada a transição de um elétron de um nível de energia mais energético (n = 3) para um nível menos energético (n = 2), liberando um fóton. Fonte: Adaptado - FREBEL, Anna; Searching for the Oldest Stars, 2015, p. 20.

No início do século 20, apesar dos grandes avanços na física quanto na astronomia, a questão da fonte de energia das estrelas continuava em aberto. Havia propostas, mas nenhuma delas parecia plausível o suficiente. O que realmente engrenou o estudo da energia das estrelas foi o crescimento da física nuclear. 

Até 1907, hipóteses como o colapso gravitacional, conversão de energia potencial em radiação e processos químicos já haviam sido descartados. Foi então que o físico inglês Arthur Eddington propôs uma nova solução para a questão. Familiarizado com os trabalhos de Einstein sobre a equivalência de massa e energia, a tese de Eddington explana que quando dois hidrogênios se combinam para formar um hélio, a maior parte da energia de ligação é liberada, já que dois hidrogênios são mais pesados do que um hélio. Apesar de esta ser a verdadeira resposta, a comunidade científica não aprovou de imediato a ideia de uma fusão nuclear. Afinal de contas, os cientistas da época não conseguiam conceber a fusão de duas partículas positivas, muito menos a existência da grande quantidade de hidrogênio e hélio no Sol. Mas mesmo assim, Eddington não desistiu de suas ideias. A confirmação do trabalho do físico inglês veio com os estudos de George Gamov, físico russo que apresentou o conceito de tunelamento quântico para explicar o decaimento de partículas alfa de átomos radioativos. Aplicando esse conceito às ideias de Eddington, foi mostrado que a fusão nuclear era realmente possível. Apesar disso, muitas questões ainda precisavam ser respondidas.

Em 1938, a alemão Carl Friedrich von Weizsacker propôs o primeiro mecanismo concreto para a fusão do hidrogênio. Através do chamado ciclo CNO (Carbono-Nitrogênio-Oxigênio), ele pode incluir a transformação de hidrogênio em hélio como parte de um sistema de reações em cadeia, que envolve esses elementos. Paralelamente, o americano Hans Bethe, buscando solucionar o problema da repulsão entre dois núcleos de hidrogênio, inseriu o deutério (um próton e um nêutron) em suas análises, e conseguiu chegar a uma cadeia de reações que não envolvesse outros elementos, o hoje chamado ciclo p-p (próton-próton). A importância dos trabalhos de Bethe lhe rendeu o Prêmio Nobel de física em 1967. Ambas as teses se mostraram promissoras, sendo confirmadas nos próximos anos, dando início à astrofísica nuclear.