A nebulosa Cat’s Eye obtida pelo Telescópio Espacial Hubble. Crédito da imagem: NASA./ESA Clique para ampliar
Pesquisadores usando uma 'fábrica de poeira estelar' no Goddard Space Flight Center da NASA, Greenbelt, Maryland, resolveram o mistério de como estrelas moribundas produzem poeira de silicato em altas temperaturas. A compreensão desse processo nos ajuda a entender nossa origem, porque essa poeira se tornará parte de outra geração de estrelas e planetas, assim como as gerações anteriores de estrelas contribuíram com grãos de poeira para o nosso sistema solar que pelo menos em um planeta deram origem à vida.
Estrelas moribundas aquecem internamente enquanto expelem suas camadas externas de gás para o espaço. O gás se expande e esfria, permitindo que alguma matéria nele se condense em grãos de poeira. As observações durante o último quarto de século mostram grãos de poeira feitos de silício e oxigênio (SiO ou grãos de silicato amorfo) condensando a 1.300 graus Fahrenheit (mais de 700 graus Celsius) nas nuvens de gás (nebulosas) que cercam estrelas velhas. A teoria prevalecente dizia que essa temperatura era muito alta para condensar grãos de silicato sólido - o silício e o oxigênio deveriam ter permanecido no gás.
“Mesmo que a teoria diga que isso era impossível, as estrelas produzem grãos de poeira em altas temperaturas de qualquer maneira - isso estava acontecendo bem diante de nossos olhos”, disse o Dr. Joseph Nuth de Goddard, autor principal de um artigo sobre essa pesquisa submetido recentemente ao Astrophysical Journal. “Então, fomos ao nosso laboratório em Goddard, onde vaporizamos o material no vácuo e observamos como ele se condensa para ver o que estava faltando.”
O experimento revelou que a “pressão de vapor” na qual os grãos de poeira se condensam era muito alta na teoria. Assim como a névoa (vapor d'água) se condensa no ar quando a temperatura cai ou a umidade aumenta, o SiO se condensará no gás nebular em certas temperaturas e pressões. O ar quente retém mais água como gás do que o ar frio, razão pela qual 100 por cento de umidade - a quantidade de gás da água necessária para saturar completamente o ar - é muito mais desconfortável em um dia quente de verão. Da mesma forma, em altas temperaturas, é necessário mais gás SiO na saída circunstelar antes que se torne completamente saturado e se condense em grãos de poeira.
A pressão na qual o gás SiO começa a condensar é chamada de pressão de vapor saturado - 100 por cento de umidade para o gás SiO. O experimento revelou que o valor real a 1.300 graus F era cerca de 100.000 vezes menor do que o previsto pela teoria. O valor real mais baixo significa que o gás SiO pode formar grãos de poeira em uma nebulosa de 1.300 graus em concentrações cerca de 100.000 vezes mais baixas do que se acreditava anteriormente. “Se os meteorologistas tivessem feito uma previsão semelhante sobre a pressão de vapor da água, eles diriam que chuva era impossível - eles pensariam que nunca havia água suficiente no ar para fazer chover”, disse Nuth.
“Colocamos os valores reais de pressão de vapor saturado mais baixo de nosso experimento na teoria e foi quase bom o suficiente. A teoria modificada previa que o gás SiO estava muito perto de se condensar em grãos de poeira, mas ainda faltava algum fator ”, disse o Dr. Frank Ferguson, da Universidade Católica da América, Washington, co-autor do artigo.
De acordo com os pesquisadores, o fator que faltava era que as moléculas de SiO podem perder energia irradiando-a para o espaço. As moléculas podem vibrar em diferentes níveis, cada uma com mais energia do que a inferior, até que, nos níveis vibracionais mais elevados, elas tenham tanta energia que simplesmente se separam. Se nada excitar uma molécula, dando-lhe energia ao atingi-la, por exemplo, a molécula perderá energia espontaneamente, caindo para um nível vibracional de energia inferior, e continuará a fazer isso até atingir o estado fundamental ?? bf? ? ou o nível mais baixo possível. Como a pressão é baixa no gás nebular que flui, uma molécula de SiO não costuma colidir com outra molécula de gás. Também é improvável que seja excitado pela luz da estrela moribunda, uma vez que a nebulosa está se expandindo na escuridão do espaço profundo e apenas parte de seu campo de visão inclui a própria estrela. Nessas circunstâncias, desenvolve-se uma grande população de moléculas de SiO no estado fundamental que contêm energia vibracional mínima.
Para começar a formar um grão de pó de silicato, duas moléculas de SiO precisam ficar juntas (condensar). Isso libera energia. Essa energia tem que ir para algum lugar ?? bf? provavelmente em níveis vibracionais mais energéticos. Duas moléculas já em estados de alta energia têm maior probabilidade de ganhar muita energia da reação de condensação, então elas simplesmente se separariam novamente. Por outro lado, duas moléculas de SiO de baixa energia têm maior probabilidade de permanecer presas juntas com a energia de reação indo temporariamente para estados vibracionais de nível superior até que a molécula maior possa irradiar essa energia para o espaço. Portanto, quando muitas das moléculas de SiO na nebulosa estão em estados vibracionais de baixa energia, elas podem condensar a uma temperatura um pouco mais alta do que a sua pressão de vapor indica, porque essas moléculas são mais frias do que o gás circundante.
“Quando usamos a nova pressão de vapor e consideramos os níveis vibracionais das moléculas de SiO no gás em expansão, a poeira de silicato se condensa facilmente”, disse Nuth. “Este resultado mostra como o experimento, a observação e a teoria se complementam na busca por entender o que realmente acontece na natureza.” A pesquisa foi financiada pela NASA ?? bf? S Cosmochemistry Research and Analysis Program, NASA Headquarters.
Fonte original: Comunicado de imprensa da NASA