O átomo de carbono desperta um interesse especial entre os cientistas, pois é essencial para a existência da vida como a conhecemos. Nós, seres humanos, somos predominantemente compostos de carbono. No entanto, ainda temos muito a aprender sobre esse elemento fundamental.
Sabemos que o núcleo de um átomo de carbono consiste normalmente em seis prótons e seis nêutrons. No entanto, a organização exata dessas partículas e a razão pela qual há uma abundância significativa de carbono no universo ainda são questões em aberto.
Essas questões são particularmente intrigantes porque, logo após o Big Bang, os elementos primordiais presentes eram principalmente hidrogênio e hélio. O núcleo do hidrogênio consiste em um próton, enquanto o núcleo do hélio é formado por dois prótons e dois nêutrons. Todos os elementos mais pesados, incluindo o carbono, foram criados muito tempo depois, quando estrelas massivas chegaram ao fim de suas vidas e explodiram em supernovas, gerando altas temperaturas e pressões capazes de fundir os núcleos de hélio. A tabela periódica dos elementos, portanto, nasceu no interior das estrelas.
No caso específico da formação do carbono, é necessário fundir três núcleos de hélio. No entanto, essa fusão é considerada improvável devido à energia mais elevada dos núcleos de hélio em comparação com um núcleo de carbono.
O astrônomo Fred Hoyle propôs uma solução para esse enigma na década de 1950. Ele sugeriu que os três núcleos de hélio primeiro se combinam em um estado intermediário conhecido como “estado de Hoyle”, que possui energia semelhante à dos núcleos de hélio. Essa seria uma espécie de transição que facilitaria a formação do átomo de carbono, permitindo que os núcleos de hélio se encaixem no processo.
Agora, pela primeira vez, os cientistas conseguiram demonstrar experimentalmente a formação desse estado de Hoyle, sugerindo que essa pode ser a rota pela qual o carbono cósmico, incluindo aquele que é essencial para a vida na Terra, é criado.
Para realizar esse estudo, a equipe de cientistas criou uma simulação em um poderoso supercomputador. Restringindo as posições possíveis dos prótons e nêutrons dentro de uma rede tridimensional, eles puderam calcular o movimento dessas partículas nucleares. Essa tarefa foi desafiadora devido às interações complexas entre as partículas nucleares, que variam dependendo de suas distâncias relativas. A simulação foi executada milhões de vezes, considerando diferentes condições iniciais para garantir resultados confiáveis.
Após 5 milhões de horas de processamento no supercomputador, a equipe finalmente obteve imagens viáveis do interior do núcleo de carbono. Essa conquista representa um avanço significativo na compreensão da estrutura nuclear e contribui para o nosso conhecimento sobre a formação do carbono no universo.
(foto: Shihang Shen)
A simulação realizada revelou que as partículas nucleares no núcleo de carbono não existem de forma isolada. Em vez disso, elas se agrupam em unidades compostas por dois nêutrons e dois prótons. Isso significa que mesmo após a fusão dos três núcleos de hélio para formar o núcleo de carbono, é possível detectar os traços dos núcleos de hélio.
Dependendo do estado de energia, esses núcleos de hélio estão dispostos em formações espaciais diferentes, como um triângulo isósceles ou uma configuração semelhante a um braço levemente dobrado, com ombro, cotovelo e pulso, cada um ocupado por um grupo de núcleons.
Essa simulação não apenas aprimorou significativamente nossa compreensão de um dos elementos químicos mais importantes na ciência, o carbono, mas também tem o potencial de fornecer insights para outros átomos. Os métodos desenvolvidos nesta pesquisa podem ser facilmente aplicados para simular outros núcleos e certamente abrirão novas perspectivas e conhecimentos no campo da física nuclear.
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