Os dois cientistas – e amigos – que demonstraram que parte dos átomos do nosso corpo foi fabricada nas estrelas.

Colocar os átomos em ordem

Quando olhamos à nossa volta, por exemplo, num passeio pelo campo, podemos ver rochas, a água que corre num rio, ou respirar o ar.  As rochas poderão ter silício, cálcio e carbono. A água é constituída por moléculas com dois átomos de hidrogénio e um de oxigénio, e pode ter dissolvidos minerais, como o magnésio, ou o sódio. Ao respirarmos inalamos moléculas de oxigénio, que irão fluir no nosso sangue, onde também corre ferro. Têm cálcio os nossos ossos, magnésio os músculos e fósforo o nosso cérebro.

Mas de onde vêm todos estes elementos químicos?, que é como perguntarmo-nos como foi produzido o material de que somos feitos.

Tudo à nossa volta e nós mesmos somos constituídos por átomos. O conceito de átomo, partícula ínfima, surgiu ainda na antiguidade, na Grécia e na Índia. Ao longo da história da ciência, vários cientistas foram identificando os elementos químicos, ou seja, aquelas substâncias que são constituídas por um mesmo tipo de átomo.

Em 1869, o químico russo Dmitri Mendeleev tentou sistematizar o conhecimento já reunido sobre os elementos químicos, tentando organizá-los segundo as suas propriedades físicas e comportamentos químicos. Produziu então a primeira tabela periódica, com os 70 elementos conhecidos na época.

Isto foi há 150 anos. 2019 foi declarado pela Unesco como o ano internacional da tabela periódica dos elementos químicos. Um dos objetivos é sensibilizar para a importância deste instrumento, que é como uma janela sobre tudo o que existe no Universo, incluindo nós próprios.

Mas de onde vêm todos estes elementos químicos?, que é como perguntarmo-nos como foi produzido o material de que somos feitos.

De onde vieram os átomos?

Em 1869 Mendeleev não sabia explicar o porquê das propriedades que lhe permitiam organizar os elementos químicos em grupos. Só em 1911 é que Ernest Rutherford propôs um modelo de átomo que, embora mais tarde aperfeiçoado pela mecânica quântica, nos fornece uma ideia realista da estrutura do átomo.

No seu centro encontra-se o núcleo, com carga elétrica positiva e onde se concentra a maior parte da sua massa. À volta deste ‘orbitam’ eletrões – ou no caso do hidrogénio, apenas um eletrão – partículas de carga elétrica negativa.

Nas condições iniciais do Universo, defendia George Gamow em 1946, existiria energia suficiente para se produzirem em sequência todos os elementos químicos, os de maior massa a partir dos mais leves.

A carga elétrica positiva do núcleo deve-se a outras partículas, os protões. O que distingue os diferentes elementos químicos é o número de protões presentes no núcleo.

Mas sendo os protões da mesma carga elétrica, dever-se-iam repelir uns aos outros pelo efeito da força eletromagnética. Algo terá fornecido energia suficiente para contrariar essa força eletromagnética ao ponto de os protões se encontrarem extremamente próximos entre si. Então entra em ação outra força da natureza, a força nuclear forte, que os fez agarrarem-se uns aos outros.

George Gamow, nascido na Ucrânia e naturalizado americano, era um dos maiores defensores da ideia de que o Universo terá tido uma origem muito densa e quente. Nessas condições iniciais, defendia ele num artigo publicado em 1946, existiria energia suficiente para se produzirem em sequência todos os elementos químicos, os de maior massa a partir dos mais leves.

Existiam porém duas lacunas, duas posições nessa sequência que a interrompiam e que impediam os elementos mais pesados de se formarem. A resposta teria então de estar noutro lado.

Nessa mesma altura, Fred Hoyle, natural da província de York, em Inglaterra, e professor na Universidade de Cambridge, começara a voltar-se para as estrelas como potenciais fábricas dos elementos químicos. Foi ele o primeiro a introduzir o conceito de nucleossíntese estelar.

É de recordar que Fred Hoyle foi um dos maiores críticos à teoria de um Universo inicial quente e denso, defendida por Gamow. Foi Hoyle que cunhou com sarcasmo a expressão “Big Bang” (grande ‘bang’). É curioso que os astrónomos designem a teoria do Big Bang, hoje com fortes evidências científicas, com uma expressão criada por alguém que não acreditava nela.

A energia das estrelas

Prosseguindo com o conceito de nucleossíntese estelar, recuemos a 1920. Neste ano, Arthur Eddington foi o primeiro a sugerir que a energia do Sol e das outras estrelas, a energia que nos dá luz e calor, seria de origem nuclear, ou seja, produzida pela conversão de matéria – neste caso, partículas nucleares – em energia.

Só quase vinte anos depois, em 1939, é que Hans Bethe, físico alemão naturalizado americano, descreveu dois processos pelos quais o Sol poderia retirar a sua energia dessa forma e em quantidade suficiente para se manter ativo por milhares de milhões de anos. Em ambos os processos, núcleos de hidrogénio – ou seja, simples protões – são convertidos em núcleos de hélio, os dois primeiros elementos da tabela periódica de Mendeleev.

Fowler apercebeu-se que as reações nucleares que ele estava a analisar em laboratório eram as mesmas que Hans Bethe afirmava ocorrerem no interior das estrelas.

Nessa mesma década de 30s, William Fowler, engenheiro que entretanto se dedicara à física nuclear, trabalhava no Instituto de Tecnologia da Califórnia num laboratório de nome Kellogg. Financiado pelo “rei” dos cereais de pequeno-almoço, este laboratório tinha por objetivo estudar tratamentos para o cancro com recurso a raios X, mas nele começaram a ser também desenvolvidos estudos de física nuclear.

Fowler apercebeu-se que as reações nucleares que ele estava a analisar em laboratório eram as mesmas que Hans Bethe afirmava ocorrerem no interior das estrelas. Mas tanto Bethe, como depois Fowler, estavam interessados em conhecer a capacidade das estrelas para produzirem energia termonuclear.

A perspetiva de Fred Hoyle, porém, era outra. Hoyle pensou se, consumido o hidrogénio pelos processos descritos por Bethe, o hélio resultante poderia passar a ser a base para a produção de núcleos de maior massa.

Somos feitos da matéria das estrelas

No final dos anos 40 e inícios da década de 50, Hoyle desenvolvia modelos do interior das estrelas e de como estas evoluíam, ou envelheciam, para gigantes vermelhas. Começou então a colaborar com William Fowler, com viagens de ambos para um e outro lado do Atlântico.

Fowler reunira nos últimos anos dados experimentais de taxas de reação nuclear. O objetivo era conciliar um modelo do interior das estrelas com a produtividade das reações nucleares observadas em laboratório. E ambos deveriam ainda ser concordantes com as abundâncias dos elementos químicos, tanto na Terra como no Universo, através do estudo de meteoritos e da análise da luz das estrelas.

Como resultado deste trabalho em três frentes, publicaram em 1957, junto com Margaret Burbidge e Geoffrey Burbidge, um dos mais importantes artigos na história da ciência, “Síntese dos Elementos nas Estrelas”.

Neste artigo explicaram como, em estrelas mais evoluídas do que o Sol, na fase de gigante vermelha, são produzidos os elementos químicos do hélio até ao ferro (este com 26 protões no núcleo). Depois, só na fase final da vida de algumas estrelas com maior massa, ocorre a produção dos restantes elementos encontrados na natureza. Nesta fase, essas estrelas explodem, num fenómeno a que se dá o nome de supernova, e na explosão libertam todo esse material para o espaço.

No entanto, a quantidade de hélio no Universo não pode ser explicada apenas pelo fabrico estelar. As atuais abundâncias de deutério (um isótopo do hidrogénio, ou seja, um núcleo constituído por um protão e um neutrão) e de hélio devem-se às condições iniciais do Universo, tal como inicialmente proposto por George Gamow em 1946, e demonstrado em conjunto com o seu estudante de doutoramento Ralph Alpher dois anos depois.

Foi só nas fornalhas das primeiras gerações de estrelas no Universo que se criaram todos os outros elementos mais pesados a partir do carbono (com 6 protões no núcleo), elementos essenciais para que mais tarde se formassem planetas e formas de vida como nós. Por esta razão Carl Sagan vulgarizou a famosa frase “Somos feitos do material das estrelas”.

Em 1983, William Fowler recebeu o Prémio Nobel da Física, partilhado com Subrahmanyan Chandrasekhar, mas ficou surpreendido por não o partilhar com Fred Hoyle, o seu amigo inglês com quem fazia caminhadas na Escócia.

Esta terá sido uma das injustiças da Academia das Ciências Sueca, que também não incluiu no prémio Nobel de 1974 Jocelyn Bell, outra “estrela” já divulgada nesta série. Curiosamente, Fred Hoyle fora então um dos mais agressivos críticos, embora talvez de forma menos correta, a esta exclusão de Bell do mais elevado galardão no mundo da Física.

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Nota
O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço associa-se à celebração dos 100 anos da União Astronómica Internacional (IAU) através de várias iniciativas ao longo de 2019. Uma delas consiste na rubrica “Estrelas que brilham no tempo”, em que recordaremos figuras importantes na história da astronomia dos últimos 100 anos. Esta rubrica será objeto de uma breve apresentação no início de cada uma das sessões das Noites no Observatório durante o ano de 2019.