A Grande História #3: o nascimento e a morte das estrelas

Hoje vamos conversar sobre o Universo após o Big Bang. Vamos ver como eu, você e tudo que conhecemos começou…e foi nas estrelas! Sim…se você olhar bem fundo na sua árvore genealógica você vai encontrar mais do que agricultores, caçadores e coletores, peixes e microrganismos.

Você vai encontrar estrelas!

Eu escrevi um texto sobre isso no Medium. Vamos a um resumo:

Já parou pra pensar porque alguns elementos presentes na Terra são tão comuns, como hidrogênio, oxigênio, carbono…enquanto outros são tão raros, como ouro?

Na Terra há 92 variedades naturais de átomos, ou seja 92 diferentes elementos. Tudo é feito de combinações destes elementos. É difícil de ver um elemento sozinho, mas quando estão sozinhos, possuem características individuais, ou seja, cada um reage de uma forma. Essa reatividade foi o que permitiu a diversidade da vida na Terra.

Já fomos até a Lua e agora sabemos que lá tem muito hélio, prata e água. Mandamos robôs para Marte e sabemos que lá há muito ferro, que combinado com oxigênio dá a cor vermelha do planeta. Sabemos que a atmosfera de Vênus é cheia de enxofre, que Netuno é rico em metano.

Mas as estrelas estão muito mais longe do que imaginamos. Não dá pra mandar um robô ou sonda pra cada estrela. O único contato que temos com as estrelas são as luzes que vemos no céu a noite.

Como saber então a composição de uma estrela? Exatamente pela luz. Quando um elemento químico é queimado, ele libera luz.

Cada elemento possui um único padrão de cor. Por exemplo:

– Estrôncio queima na cor vermelho vivo.

– Bário queima na cor verde.

– Cobre queima na cor verde-azulado.

Mesmo quando há muitos elementos juntos, nós ainda conseguimos detectá-los, olhando para a luz e dividindo-a em um espectro inteiro de cores.

Olhando para estas luzes, podemos saber exatamente quais elementos estão presentes nas estrelas. O Sol, por exemplo, possui 70% de Hidrogênio, 28% de Hélio, e 2% de outras coisas. Podemos fazer isso para qualquer estrela, e medir exatamente do que elas são feitas.

– Polaris tem mais ou menos a mesma composição que o nosso Sol, só que menos Carbono e mais Nitrogênio.

– Vega, outra grande estrela, possui 1/3 do conteúdo de metais do nosso Sol.

– Próxima Centauri possui mais Magnésio.

As quantidades variam, mas nós sempre achamos os 92 elementos que existem na Terra. Isso significa que eu, você, e toda a Terra somos feitos de exatamente da mesma coisa que o Universo inteiro. Estamos conectados.

Mas onde essa matéria surgiu, como se criou e como se tornou…nós?

A “Grande Explosão” gerou uma grande quantidade de prótons. A partir destes prótons, todos os elementos foram feitos. A única diferença entre os elementos é o número de prótons.

Apenas 1 próton representa o Hidrogênio, o elemento mais abundante do Universo. Quando 2 prótons se juntam, um se converte em nêutron, outro alicerce do universo. Para juntar dois prótons é necessária muita energia, pois ambos são carregados positivamente e tendem a se repelir. Quando há a fusão destas partículas, há liberação de um enorme quantidade de energia.

Pode parecer algo extremamente tecnológico, mas é a coisa mais natural do Universo, que acontece o tempo todo nas estrelas. É este processo que faz com que as estrelas brilhem, que faz com que o Sol emita luz e que a vida seja presente na Terra.

Além da grande energia da explosão, outra coisa muito importante que surgia neste mesmo momento no Universo ajudou na criação dos elementos: a gravidade. A gravidade começou a juntar os novos elementos (Hidrogênio e Hélio) em nuvens de gases. Como o universo estava expandindo, foram criadas várias “ilhas” de gases. A união destes gases no centro da nuvem fez com que a pressão aumentasse, e junto com a pressão, aumentou também a temperatura. Foi neste momento em que as primeiras estrelas apareceram, mais ou menos 100 milhões de anos após o Big Bang.

Apesar do seu poder, o nosso Sol só converte Hidrogênio em Hélio. As novas estrelas que acabaram de ser formadas também. Ainda faltam 90 elementos.

O conjunto de estrelas formou as galáxias, e assim como os elementos se fundem para formar novos elementos, as galáxias também podem se fundir. Isso vai acontecer com a nossa galáxia, A Via Láctea, e a galáxia de Andrômeda, daqui a 3,7 bilhões de anos.

Fique tranquilo: até lá o Sol já apagou e a vida humana na Terra estará erradicada. Mas como assim, o Sol “apaga”? Não vai ter mais Sol?

Assim como nós, as estrelas são temporárias. Elas sobrevivem até que o seu estoque de Hidrogênio acabe. Quando o estoque acaba, ela começa a morrer. A estrela fica mais quente e começa a se expandir, aumentando centenas de vezes seu tamanho. Neste estado, a estrela não mantém a temperatura da superfície. Enquanto esfria, fica vermelha e passa a se chamar de Gigante Vermelha.

É exatamente durante a morte das estrelas que novos elementos são criados. Para isso é importante olhar pra dentro, no núcleo da estrela. É lá que os ingredientes da vida são feitos em uma sequência de estágios:

1) Quando todo Hidrogênio foi fundido em Hélio não há mais pressão. O núcleo da estrela começa a ruir, deixando uma “casca” de Hidrogênio e Hélio.

2) A temperatura aumenta mais. O Hélio começa a se fundir, o que impede o colapso da estrela, mas produz Carbono e Oxigênio. Normalmente o ciclo acaba aqui, porque não há mais energia para segurar o núcleo. O nosso Sol vai morrer neste segundo estágio. Daqui pra baixo, só estrelas maiores que o nosso Sol.

3) Nestas estrelas grandes, quando o Hélio acaba, o Carbono se funde em Magnésio, Sódio e Alumínio.

4) O nucleo rui, formando outros elementos. Cada estágio é mais quente e mais curto que os de cima.

5) No fim, o coração da estrela se transforma em puro Ferro.

Aqui a fusão acaba. O núcleo da estrela se transforma em uma bola de Ferro, coberto por camadas de outros elementos, começando no exterior por Hidrogênio, Hélio, Carbono, Oxigênio e outros. Após o fim da fusão, só uma coisa pode acontecer: a estrela entrará em colapso pela força da própria gravidade e vai ruir.

É o destino que espera todas as estrelas.

Mas este processo cria só os primeiros 26 elementos. Há mais de 60 elementos mais pesados que o ferro no universo, exatamente os mais raros.

Para que estes elementos pesados sejam criados, são necessárias algumas das condições mais raras do universo. Isso acontece no momento final da morte das maiores estrelas do Universo, no mínimo 9 vezes maiores que o nosso Sol. Durante o ciclo de morte estas estrelas podem alcançar uma temperatura grande o suficiente (100 bilhões de graus, que duram apenas 15 segundos) para criar os elementos mais pesados, como ouro.

Esse fenômeno é chamado de Supernova.

Após explodir, a altíssima temperatura vai fundir os elementos mais leves, criando os mais pesados. Os elementos resultantes de uma Supernova vão se tornar uma nebulosa, uma nuvem química rica vagando pelo espaço. No coração da nebulosa estará uma estrela de neutrons. É assim que uma estrela termina sua vida.

Um novo ciclo estrelar vai começar. A nebulosa é um berçário de estrelas, planetas e sistemas solares. Representa a morte tornando-se vida.

Foi assim que nosso Sol foi criado, há 5 bilhões de anos. Ao redor dele, formaram-se os planetas, entre eles, a Terra. Tudo que há na Terra hoje também se originou naquela estrela que se tornou Supernova. Quando olhamos para o cosmos, vemos a semente da nossa existência.

Com isso chegamos no nosso segundo limiar de complexidade, a formação de estrelas e também ao terceiro, a formação de novos elementos

Vamos rever as nossas 4 características principais da Grande História. O segundo limiar é a formação das estrelas.

Energia: a origem da energia foi dos prótons criados no Big Bang, que geraram Hidrogênio e Hélio, o combustível das estrelas.

O que emergiu? As estrelas e galáxias.

Cachinhos Dourados: a existência da gravidade, que não deixou o Universo ser homogêneo permitiu a criação das estrelas.

O terceiro limiar é a formação dos novos elementos.

Energia: para a formação dos novos elementos foi necessária a fusão nuclear, que ocorre dentro das estrelas. Quanto maior o tamanho, mais elementos são formados, até atingir o limite de 92 elementos naturais. Os outros elementos que temos na Tabela Periódica foram feitos por nós, não pela natureza.

O que emergiu? Os novos elementos, as pedras fundamentais do futuro do Universo, que agora é quimicamente mais complexo.

Cachinhos Dourados: A temperatura gigantesca das estrelas e seu ciclo de vida e morte. Aqui a gravidade participa ativamente também.

No próximo post da série da Grande História vamos falar sobre como os blocos de criação do Universo tem o potencial de se organizar em maneiras cada vez mais complexas. É o surgimento do Sistema Solar e do nosso planeta.

Até a próxima.

Adaptado de “Big History” — David Christian & David Baker — Macquarie University

Todos os textos da Grande História podem ser encontrados neste link!