Partículas fantasma podem aumentar produção de ouro em colisões de estrelas de nêutrons.

A transformação de sabor dos neutrinos durante a fusão de estrelas de nêutrons pode ser um dos fatores decisivos para determinar como o choque evolui - e até que tipo de matéria ele deixa para trás.

Pela primeira vez, uma equipa de físicos simulou, de forma dedicada, como os neutrinos alternam entre os seus sabores no decorrer de um evento de fusão. Os resultados indicam que, ao ajustar os parâmetros que controlam essas transformações, também mudam os desfechos do encontro, incluindo a quantidade de elementos pesados do processo-r (processo de captura rápida de neutrões) - como ouro e platina - sintetizados na explosão violenta de uma quilônova.

De forma ainda mais marcante, quando as transformações de neutrinos são removidas por completo do modelo, a produção de elementos pesados cai até cerca de uma ordem de grandeza.

Neutrinos e a fusão de estrelas de nêutrons: por que a transformação de sabor importa

“Simulações anteriores de fusões de estrelas de nêutrons em sistemas binários não incorporavam a transformação de sabor dos neutrinos”, afirma a física Yi Qiu, da Universidade Estadual da Pensilvânia.

Segundo Qiu, isso ocorreu por duas razões principais. Primeiro, trata-se de um fenómeno que acontece numa escala de tempo de nanosegundos, o que torna a sua captura numérica especialmente difícil. Segundo, até pouco tempo atrás, havia lacunas importantes na descrição teórica desses mecanismos, que se apoiam em física que não se encaixa completamente no modelo padrão.

Nas novas simulações, a equipa observou que a intensidade e o local onde os neutrinos se misturam e mudam de sabor influenciam diretamente: - a matéria ejetada durante a fusão; - a estrutura e a composição do que sobra após o evento (o remanescente); - e o material ao redor desse remanescente.

“Partículas fantasma” com três sabores

Conhecidos como “partículas fantasma” devido à sua massa extremamente pequena e às interações muito limitadas com outras partículas, os neutrinos existem em três sabores, associados às partículas correspondentes: eletrão, múon e tau.

Efeitos quânticos fazem com que essas partículas oscilem entre sabores ao longo do trajeto. Essa troca pode parecer subtil, mas em ambientes extremos ela altera o modo como os neutrinos interagem com a matéria - e, portanto, o rumo do fenómeno astrofísico.

Colisões de estrelas de nêutrons são, sem dúvida, um desses ambientes extremos: envolvem alguns dos objetos mais densos do Universo. Qiu e colegas modelaram a transformação de neutrinos durante essas colisões, variando diversos parâmetros - incluindo os ligados ao próprio processo de transformação.

O foco principal foi a conversão de neutrinos de eletrão em neutrinos de múon, considerada a transformação mais relevante nas condições típicas do ambiente de fusão.

Produção de elementos pesados: o papel do processo-r

Fusões de estrelas de nêutrons são apontadas como verdadeiras “fábricas” de elementos pesados. A fusão no interior de núcleos estelares comuns consegue formar elementos apenas até ao ferro; para criar muitos elementos acima dele, entra em cena o processo-r, responsável por produzir, entre outros, ouro, urânio e estrôncio.

“Neutrinos do tipo eletrão conseguem capturar um neutrão - uma das três partes fundamentais do átomo - e convertê-lo nas outras duas: um protão e um eletrão. Já neutrinos do tipo múon não fazem isso”, explica o físico David Radice, também da Universidade Estadual da Pensilvânia.

Assim, quando ocorre a conversão de sabores, muda o balanço de neutrões disponíveis no sistema - e isso afeta diretamente a criação de metais pesados e elementos de terras raras. De acordo com a equipa, contabilizar a mistura de neutrinos pode elevar a produção desses elementos em até 10 vezes.

Um detalhe adicional que liga microfísica e observações

Um modo prático de entender essa influência é notar que a troca de sabor dos neutrinos tende a modificar a “fração eletrónica” da matéria ejetada (a proporção entre protões e neutrões). Essa diferença, por menor que pareça, decide se o material expelido favorece cadeias de captura de neutrões mais intensas - o que se traduz em assinaturas químicas e numa composição final distinta.

Isso também pode refletir-se nas próprias características da quilônova, como a forma como a luminosidade evolui ao longo do tempo e quais comprimentos de onda dominam a emissão, já que a presença de determinados elementos pesados altera a opacidade do material ejetado.

Ondas gravitacionais mais brilhantes - e perguntas em aberto

As simulações sugerem ainda que as transformações dos neutrinos podem aumentar o “brilho” (a amplitude observável) das ondas gravitacionais pós-fusão em até 20%. Mesmo assim, há incertezas importantes: os investigadores ainda não conseguem afirmar com precisão quando e como essas transformações acontecem em todos os cenários possíveis de fusão de estrelas de nêutrons.

Simulações mais refinadas e completas devem ajudar a responder essas questões, reduzindo as margens de dúvida e melhorando a ligação entre modelos teóricos e o que os observatórios conseguem medir.

“Com o que sabemos hoje, tudo indica que essas transformações são muito prováveis; e as nossas simulações mostram que, se elas ocorrerem, os efeitos podem ser grandes. Por isso, será essencial incluí-las em modelos e análises futuras”, conclui Qiu.

A pesquisa foi publicada na revista Revisão Física - Cartas.