Nucleossíntese: Como se formaram os primeiros átomos?

Etapas na criação dos átomos. Figura retirada de: Venaruzzo, M. (2011). Study of the strange resonance sigma (1385) as a tool for the analysis of the dynamics of the Quark Gluon Plasma in the ALICE experiment at LHC.

A Cosmologia é a ciência que estuda a evolução do universo a partir do famoso “Big Bang”. Sendo assim, seus modelos também devem explicar a criação da matéria e a formação de átomos. O processo de formação de núcleos atômicos é chamado de nucleossíntese e é responsável por quase toda a abundância de Hidrogênio e Hélio observada no universo! Conheça um pouco deste processo incrível que acontece em menos tempo que o cozimento de um miojo.

Ainda não entendemos muito bem como o universo surgiu, mas o modelo cosmológico aponta que instantes após sua criação, surgiram todos os tipos de partículas elementares conhecidas, isto incluí alguns conhecidos nossos como o elétron e o fóton. Porém, os prótons e nêutrons não foram criados neste momento pois não são elementares.

Prótons e nêutrons são hádrons, isto é, partículas compostas por quarks, que por sua vez são partículas elementares. Para a formação de hádrons acontecer, houve uma mudança de fase no universo conhecida como “hadronização”. Na hadronização, o universo que era composto por várias partículas livres e bastante energéticas, o famoso “quark-gluon plasma”, começa a confinar os quarks em partículas compostas. Atualmente é, até onde sabemos, impossível ver um quark livre.

Após a hadrozinação temos prótons e nêutrons, porém as combinações em núcleos de átomos não são estáveis, pois a energia das partículas é tão alta que qualquer coisa consegue quebrar a ligação entre essas partículas. Isto muda quando o universo tem cerca de 100 segundos de idade, quando a temperatura diminui e as reações de fusão nuclear criam os primeiros núcleos de átomos.

Somente elementos leve são formados e a proporção entre esses elementos é uma das principais previsões do modelo cosmológico. Segundo o modelo, cerca de 75% da matéria do universo seria composta de Hidrogênio (¹H) e 25% de Hélio (⁴He), além de pequenas quantidade de Deutério (²H), Helio-3 (³He), Lítio (⁷Li) e Berílio-7 (⁷Be). Essas proporções são verificadas experimentalmente observando astros antigos. Esta fase acaba quando o universo tem três minutos de idade.

Reações durante a nucleossíntese. Figura retirada da Wikipédia.

Perceba que estamos falando apenas de núcleos atômicos, eles ainda não possuem elétrons. Novamente, isto acontece pois as ligações núcleo-elétron não são estáveis devido a alta temperatura. Vai demorar muito tempo para os átomos como conhecemos venham a se formar, cerca de 380.000 anos para ser um pouco mais exato.

A fase onde os núcleos ganham elétrons é conhecida como recombinação, sendo o último processo para a formação dos elementos mais leves. Átomos mais pesados somente são formados quando surgem as primeiras estrelas! Mas perceba, o hidrogênio presente na água que você bebe foi criado no Big Bang!

Diria Carl Sagan que somos poeira de estrelas, porém o Hidrogênio e Hélio que conhecemos são poeira do universo primordial!

Saiba mais

Caso se interesse em aprofundar nesse tema, recomendo a leitura do livro “os três primeiros minutos” do físico Steven Weinberg.