Cientistas conseguem primeira imagem do núcleo do átomo de carbono

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/05/2023

Os nêutrons e prótons - estão presentes no núcleo de carbono como três aglomerados de quatro. Dependendo do estado de energia do núcleo, eles podem ser dispostos em um triângulo equilátero (esquerda) ou como um braço ligeiramente dobrado (direita).
[Imagem: Serdar Elhatisari/University of Bonn]

Origem do carbono

O átomo de carbono é merecedor de uma atenção especial dos cientistas porque, sem ele, a vida como a conhecemos não existiria - nós somos essencialmente seres de carbono.

Mas ainda sabemos muito pouco sobre ele. Sabemos, por exemplo, que o núcleo de um átomo de carbono normalmente consiste em seis prótons e seis nêutrons. Mas como exatamente essas partículas ficam organizadas? E por que existe uma quantidade tão grande de carbono no espaço?

Estas são questões fundamentais porque, logo após o Big Bang, havia apenas hidrogênio e hélio. O núcleo de hidrogênio consiste de um único próton, o de hélio de dois prótons e dois nêutrons. Todos os elementos mais pesados só foram criados muitos bilhões de anos depois por estrelas que chegavam ao fim de suas vidas e explodiam, produzindo pressões imensas e temperaturas extremamente altas para fazer os núcleos de hélio se fundirem - sim, a Tabela Periódica nasceu nas estrelas.

Para formar o carbono, esse processo requer a fusão de três núcleos de hélio.

"Mas, na verdade, é muito improvável que isso aconteça," explica o Professor Ulf Meibner, da Universidade de Bonn, Alemanha. "O motivo é que os núcleos de hélio juntos têm uma energia muito maior do que um núcleo de carbono."

O pesquisador compara essa fusão com três pessoas correndo muito mais rápido do que um carrossel e querendo pular todas ao mesmo tempo nesse carrossel e se encaixar perfeitamente nos lugares.

Como se forma o carbono?

Já na década de 1950, o astrônomo britânico Fred Hoyle propôs uma saída para esse enigma: Ele postulou que os três núcleos de hélio primeiro se juntam para formar uma espécie de estado de transição. Hoje conhecido como "estado de Hoyle", esse intermediário tem uma energia muito semelhante à dos núcleos de hélio.

É como se você acelerasse o carrossel, permitindo que os três passageiros embarquem nele facilmente. Quando eles fazem isso, o carrossel diminui para sua velocidade normal e assim teríamos o átomo de carbono. Factível, mas será que a natureza faz isso mesmo? "Somente fazendo um desvio pelo estado de Hoyle as estrelas podem criar carbono em qualquer quantidade apreciável," comentou Meibner.

Agora, pela primeira vez, Meibner e seus colegas conseguiram demonstrar a formação do estado de Hoyle, mostrando que, por mais improvável que possa parecer, essa pode ser a rota para explicar todo o carbono cósmico - inclusive aquele que serve de base para a vida na Terra.

Na realidade, os prótons e os nêutrons - chamados núcleons - podem estar localizados em qualquer lugar do espaço. Mas, para conseguir fazer sua simulação rodar em um dos maiores supercomputadores da Alemanha, a equipe precisou restringir essa liberdade: "Arranjamos nossas partículas nucleares nos nós de uma rede tridimensional," explica Meibner. "Portanto, permitimos a eles apenas certas posições estritamente definidas."

Graças a essa restrição, foi possível calcular o movimento dos núcleons. Como as partículas nucleares afetam umas às outras de maneira diferente dependendo da distância entre elas, essa é uma tarefa muito complexa. E foi necessário rodar a simulação vários milhões de vezes, para especificar condições iniciais ligeiramente diferentes, que podem ocorrer na prática. "Nós realizamos esses cálculos para todos os estados de energia conhecidos do núcleo de carbono," disse Meibner.

Depois de 5 milhões de horas de processamento - o supercomputador usado pela equipe tem milhares de processadores rodando simultaneamente - a equipe finalmente conseguiu imagens factíveis de como é o interior do núcleo de carbono.

É possível detectar os núcleos de hélio dentro do núcleo de carbono.
[Imagem: Shihang Shen et al. - 10.1038/s41467-023-38391-y]

Entender outros átomos

A simulação comprovou que as partículas nucleares não existem independentemente umas das outras no núcleo de carbono. "Em vez disso, elas estão agrupadas em grupos de dois nêutrons e dois prótons cada," explicou o físico.

Isso significa que os três núcleos de hélio ainda podem ser detectados depois de se fundirem para formar o núcleo de carbono.

Dependendo do estado de energia, eles estão presentes em diferentes formações espaciais - dispostos em um triângulo isósceles ou como um braço levemente dobrado, com o ombro, a articulação do cotovelo e o pulso, cada um ocupado por um grupo de núcleons.

Esta simulação permitiu não apenas aumentar muito a compreensão de um dos elementos químicos mais significativos para a ciência, como também poderá lançar novas luzes sobre outros átomos. "Os métodos que desenvolvemos podem ser facilmente usados para simular outros núcleos, e certamente levarão a percepções totalmente novas," disse Meibner.

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