Capítulo 11: Feitos de antiga luz das estrelas

Noite 124: Uma chama azul e redonda

No dia 124 da missão, a tarefa principal de Noor foi um experimento com fogo. O fogo é uma das coisas que as pessoas numa estação espacial mais temem, por isso o experimento aconteceu dentro de uma caixa resistente e vedada, com janelas grossas, ventiladores especiais e muitas camadas de segurança. Noor passou a primeira hora da manhã numa lista de verificação. Conferiu as vedações, as câmeras, o fornecimento de gás e o computador que controlaria tudo. Ade flutuava ao lado dela e lia cada linha em voz alta. Noor respondia a cada linha com uma palavra, “conferido”, como faz um piloto antes da decolagem.

Por fim, o computador colocou uma gota minúscula de combustível no meio da caixa e a acendeu. Na Terra, uma chama tem a forma de uma gota. O ar quente é mais leve que o ar frio, então ele sobe e puxa a chama para cima, formando uma ponta. Na ausência de peso, o ar quente não sobe, porque não existe um “para cima” para onde subir. Então a chama na tela de Noor era uma bolinha quase perfeita. Era suave e azul, e brilhava em silêncio na caixa escura, como um pequeno planeta feito de luz.

A bola de fogo durou só alguns segundos. Depois o combustível acabou e a luz azul se apagou. As câmeras tinham gravado tudo, e os cientistas em solo estudariam as imagens durante meses. Eles querem entender como as chamas se comportam sem o ar que sobe, porque isso também os ajuda a entender a combustão na Terra, em motores e em fornalhas. Noor e Ade repetiram o teste seis vezes, com pequenas mudanças a cada vez, e à tarde os olhos dela estavam cansados de olhar para a tela.

Naquela noite, quando o trabalho terminou, Noor leu uma mensagem de Sami. Ele tinha visto um vídeo curto da chama redonda que a tripulação compartilhou com as escolas. “Lindo”, escreveu ele. “Então o Sol é só um fogo gigante desses? Ele está queimando lá em cima?” Noor sorriu. Era uma pergunta muito boa, e muita gente acredita que a resposta é sim. A resposta verdadeira é mais estranha e mais maravilhosa. E ela leva a um dos fatos mais surpreendentes de toda a ciência: a maior parte do material do corpo de Noor, do corpo de Sami e do seu corpo foi feita dentro de estrelas.

Então a história desta noite é sobre como as estrelas funcionam e sobre o que elas fazem. Ela continua a partir da noite anterior deste livro, quando as ondulações do universo primitivo cresceram até virar galáxias, puxadas pela matéria comum e pela misteriosa matéria escura. Esta noite vamos olhar dentro dessas galáxias, para as próprias estrelas, e descobrir que elas não são só lâmpadas. São oficinas.

As estrelas não são fogueiras

Um fogo, como a bola azul na caixa de Noor, é uma reação química. O combustível se junta com o oxigênio do ar, e os átomos se rearranjam em novas moléculas. Isso libera calor e luz. Mas, num fogo, os próprios átomos não mudam. Um átomo de carbono no combustível continua sendo um átomo de carbono na fumaça. Só mudou o jeito como os átomos se dão as mãos.

Se o Sol fosse um fogo gigante desse tipo, ele teria se apagado há muito tempo. Teria durado só alguns milhares de anos, e não bilhões. E há outro problema: um fogo precisa do oxigênio do ar em volta dele, e no espaço não há ar. Então o Sol deve brilhar de outro jeito. Esse jeito se chama fusão.

A fusão acontece no centro do Sol, na parte chamada núcleo solar. Ali, o peso do Sol inteiro faz pressão, e a temperatura é de cerca de 15 milhões de graus Celsius. Com esse calor e essa pressão, os centros dos átomos de hidrogênio, os seus núcleos, se movem tão depressa que se chocam uns contra os outros e grudam. Passo a passo, quatro núcleos de hidrogênio se tornam um núcleo de hélio. O hélio novo pesa um pouquinho menos do que os quatro núcleos de hidrogênio que o formaram. Esse pedacinho de matéria que falta se transformou em energia, e é essa energia que faz o Sol brilhar.

Por que isso exige um calor tão enorme? Os núcleos dos átomos de hidrogênio têm todos o mesmo tipo de carga elétrica, e coisas com a mesma carga se repelem, como dois ímãs virados do lado errado. No mundo frio à nossa volta, os núcleos de hidrogênio nunca chegam perto o bastante para se juntar. Só quando se movem extremamente depressa, num calor extremo e sob o peso de uma estrela inteira, alguns deles chegam perto o bastante para grudar. Mesmo no núcleo do Sol, um núcleo de hidrogênio qualquer costuma esperar muito tempo antes de se juntar com outro. O Sol brilha de forma constante porque contém tantos núcleos que, a cada segundo, um número enorme deles consegue.

Eis a diferença numa frase. Num fogo, os átomos trocam de parceiros. Na fusão, os centros dos átomos se juntam e se tornam outro elemento. A fusão transforma hidrogênio em hélio. Ela não apenas rearranja as coisas; ela faz algo novo. É por isso que é tão poderosa. A cada segundo, o Sol transforma cerca de quatro milhões de toneladas da sua matéria em energia, e faz isso há cerca de 4,6 bilhões de anos. Mesmo assim, ele usou só uma pequena parte do seu hidrogênio, porque o Sol é enorme.

Talvez ajude pensar numa padaria que trabalha a noite inteira. No forno quente do centro, uma massa simples vira pão. No núcleo de uma estrela, o elemento mais simples, o hidrogênio, vira o seguinte, o hélio. A luz que sai da estrela é como o calor que sai pela porta da padaria. Sentimos o calor, mas o trabalho de verdade acontece lá no fundo, onde não conseguimos ver.

As pessoas que descobriram como as estrelas brilham

Durante muito tempo, a energia do Sol foi um enigma. No século XIX, os cientistas tentaram explicá-la com combustão, ou com o Sol encolhendo devagar e esquentando à medida que encolhia. Nenhuma dessas ideias conseguia dar ao Sol uma vida longa o bastante. As rochas da Terra e o trabalho lento dos seres vivos pareciam precisar de muito mais tempo do que o Sol poderia durar por qualquer processo conhecido. Os profissionais que estudavam as rochas e os que estudavam o céu davam respostas diferentes, e ninguém conseguia fazê-las concordar.

A resposta veio de um novo ramo da ciência que estudava o núcleo, o centro minúsculo de um átomo. Nos anos 1920 e 1930, os cientistas aprenderam que os núcleos podiam se juntar e liberar energia. Em 1939, um cientista chamado Hans Bethe calculou, passo a passo, que reações podiam acontecer no núcleo de uma estrela como o Sol. Mostrou que a fusão de hidrogênio em hélio podia manter o Sol brilhando por bilhões de anos. O velho enigma foi resolvido com cálculos cuidadosos, feitos numa escrivaninha, com papel e lápis.

Lembre-se de Cecilia Payne, de uma noite anterior. Em 1925, ela descobriu que as estrelas são feitas principalmente de hidrogênio e hélio. A descoberta dela e o cálculo de Bethe se encaixam como as duas metades de um prato. As estrelas são feitas principalmente de hidrogênio, e o hidrogênio é o combustível delas. O hélio é em parte o que foi feito nos primeiros minutos do universo e em parte o que as estrelas fizeram desde então.

A pergunta seguinte era ainda maior. Se as estrelas conseguem fazer hélio, conseguem fazer outros elementos também? Em 1957, quatro cientistas, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler e Fred Hoyle, escreveram um longo artigo que descrevia como as estrelas poderiam montar quase todos os elementos, um depois do outro, em diferentes etapas da sua vida. Fred Hoyle é a mesma pessoa que tinha dado nome ao Big Bang num programa de rádio anos antes, embora não concordasse com aquela ideia. Nesta questão, o trabalho dele ajudou a mostrar de onde vinha a maioria dos elementos. Outros cientistas trabalhavam em linhas parecidas na mesma época e, nas décadas seguintes, muitas observações confirmaram o quadro principal.

Pense em como esse conhecimento foi construído. Ninguém jamais visitou o centro de uma estrela. Tudo foi aprendido a partir da luz, de experimentos com núcleos em laboratórios na Terra e de cálculos. Como tantas descobertas deste livro, foi o trabalho de pessoas nas suas escrivaninhas e nos seus laboratórios, conferindo os números umas das outras, às vezes durante muitos anos.

Como termina uma estrela grande

Uma estrela como o Sol passa a maior parte da vida transformando hidrogênio em hélio. Quando o hidrogênio do núcleo dela fica escasso, a estrela muda. As camadas de fora incham, e ela se torna uma estrela grande, mais fria e avermelhada, chamada gigante vermelha. No núcleo, os núcleos de hélio começam então a se juntar, formando carbono e oxigênio. No fim, uma estrela como o Sol empurra suavemente as camadas de fora para o espaço, como uma casca brilhante de gás. O que sobra é um núcleo pequeno, quente e muito denso, chamado anã branca, que esfria devagar durante muito tempo.

Estrelas muito mais pesadas que o Sol vivem mais depressa e terminam de modo mais dramático. O grande peso delas torna os seus núcleos mais quentes, e por isso elas conseguem ir mais longe. Depois do carbono e do oxigênio, elas fazem neônio, magnésio, silício e, por fim, ferro. A estrela fica em camadas, um pouco como uma cebola, com os elementos mais pesados mais perto do centro. Mas o ferro é o fim desse caminho. Juntar núcleos de ferro não libera energia; consome energia. Então, quando o núcleo de uma estrela grande se enche de ferro, o forno dela não tem mais nada a dar.

A velocidade da vida de uma estrela depende do seu peso. Uma estrela como o Sol tem uma vida total de cerca de 10 bilhões de anos, então está agora mais ou menos no meio da sua vida de trabalho. As estrelas mais pesadas gastam o combustível em apenas alguns milhões de anos, o que é um tempo muito curto para uma estrela. É um pouco como dois trabalhadores com empregos diferentes: um trabalha num ritmo constante durante uma longa carreira inteira, enquanto o outro trabalha numa velocidade furiosa e termina muito cedo. Os dois deixam alguma coisa para trás, mas o trabalhador rápido deixa os resultados mais espetaculares.

Sem a energia que empurra para fora, o núcleo desaba sob o próprio peso num instante. As camadas de fora caem, ricocheteiam e são lançadas ao espaço numa explosão enorme chamada supernova. Durante algumas semanas, uma única supernova pode brilhar tanto quanto uma galáxia inteira de estrelas. A explosão espalha o carbono, o oxigênio, o silício, o ferro e muitos outros elementos que a estrela fez durante a vida. Ela também faz novos elementos no calor violento da própria explosão. O que sobra no centro pode ser uma estrela de nêutrons, uma bola de matéria tão densa que uma colherada pesaria tanto quanto uma montanha, ou, nos casos mais pesados, um buraco negro.

Alguns dos elementos mais pesados, como o ouro, precisam de condições muito especiais. Durante muitos anos, os cientistas acharam que um lugar possível era a colisão de duas estrelas de nêutrons. Em 2017, os astrônomos observaram exatamente uma colisão dessas. Instrumentos capazes de sentir ondulações minúsculas no próprio espaço captaram o sinal de duas estrelas de nêutrons girando em espiral uma em direção à outra, e telescópios pelo mundo viram em seguida a luz do evento. Nessa luz, encontraram sinais de elementos pesados recém-formados, inclusive elementos como o ouro. Hoje, os cientistas acham que os elementos pesados vêm de vários tipos de eventos, e ainda estão calculando quanto cada tipo contribui.

Os elementos espalhados não ficam perdidos. Eles se misturam às nuvens de gás e poeira entre as estrelas. Mais tarde, essas nuvens desabam e formam novas estrelas e novos planetas. Cada nova geração de estrelas nasce com um pouco mais de elementos pesados do que a anterior. Uma galáxia é como uma cozinha grande e lenta em que as mesmas panelas são usadas de novo e de novo, e cada refeição deixa um pouco mais de sabor para a seguinte.

Os átomos do seu corpo

Agora vamos voltar a nós mesmos. O seu corpo é feito de muitos elementos. Em peso, a maior parte é oxigênio, a maior parte dele na água que há dentro de você. Há carbono em cada célula viva. Há nitrogênio nas proteínas dos seus músculos. Há cálcio nos seus ossos e dentes. Há ferro no seu sangue, levando oxigênio dos pulmões para cada parte de você.

Quase nenhum desses elementos existia nos primeiros minutos do universo. Como vimos numa noite anterior, esses minutos fizeram principalmente hidrogênio e hélio e uma quantidade minúscula de lítio. O carbono, o nitrogênio e o oxigênio do seu corpo foram feitos depois, dentro de estrelas. O cálcio e o ferro também vieram de estrelas, boa parte de estrelas que explodiram muito antes de o Sol nascer. Num sentido muito real, você é construído com as sobras de estrelas que viveram e morreram antes de o nosso sistema solar existir.

Há uma exceção importante. O hidrogênio do seu corpo, da água que você bebe e da comida que você come não foi feito em estrelas. O hidrogênio é o elemento mais simples, e quase todo ele vem dos primeiros minutos do universo. Em número de átomos, o hidrogênio é o elemento mais comum do seu corpo. Então você carrega dentro de si os dois tipos de história: o universo muito primitivo, no seu hidrogênio, e o longo trabalho de muitas estrelas, em quase todo o resto.

Isso também vale para tudo o que cercava Noor na estação. O alumínio das paredes, o oxigênio dos tanques de ar, o silício dos chips de computador e o carbono da comida dela vieram todos de estrelas. O metal da caixa que guardou a chama azul foi feito, átomo por átomo, em oficinas estelares há bilhões de anos. Até a luz daquela chama azul veio de átomos que um dia estiveram dentro de uma estrela.

Não é fácil sentir isso de coração. Uma xícara de chá não se parece com os restos de estrelas antigas. Mas, da próxima vez que você segurar algo pesado, uma ferramenta no trabalho, uma panela na cozinha, uma pedra de um caminho, talvez se lembre de que os átomos dessa coisa são mais antigos que a Terra. Eles viajaram pelo espaço, por nuvens e por novas estrelas antes de chegar à sua mão.

Uma mensagem para Sami

No fim do dia, Noor entrou flutuando na cabine de dormir e fechou o zíper do saco de dormir até o peito. Pensou na chama azul e redonda e no Sol, que tinha nascido e se posto para a estação dezesseis vezes naquele dia. Abriu o pequeno tablet e escreveu para Sami.

“Não, o Sol não é um fogo”, escreveu ela. “É uma espécie de forno onde o hidrogênio se transforma em hélio. As estrelas grandes também fazem outras coisas: carbono, oxigênio, ferro. Quando morrem, jogam tudo isso no espaço, e novas estrelas e planetas são feitos a partir disso. O ferro do seu sangue foi feito numa estrela. Então, quando estiver cansado esta noite, lembre que você é feito de um material muito antigo e muito resistente.”

Por volta das três da manhã, numa estrada tranquila lá embaixo, Sami parou para o intervalo. Leu a mensagem duas vezes, comeu um sanduíche e olhou pelo para-brisa para algumas estrelas brilhantes entre as nuvens. Respondeu: “Material muito resistente. Vou dizer isso às minhas costas quando levantar as últimas caixas.”

Talvez você também esteja terminando um longo dia. Suas mãos podem estar cansadas, suas costas podem doer, e o amanhã talvez já esteja à sua espera. Mas o material de que você é feito já passou pelo coração das estrelas. Esta noite, ele só precisa de um bom descanso.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que cada átomo do seu corpo foi feito dentro de uma estrela. É uma ideia bonita, e é verdadeira em grande parte, mas não por completo. A maioria dos elementos do seu corpo, como carbono, oxigênio, cálcio e ferro, foi de fato feita em estrelas. Mas o hidrogênio, que faz parte de cada molécula de água e de muitas moléculas das suas células, foi feito nos primeiros minutos do universo. Então é mais exato dizer que você é feito de material do começo do universo e das estrelas, juntos.

Muita gente também pensa que o Sol e as estrelas queimam como uma fogueira. Isso é natural, porque eles são quentes e brilhantes, e a palavra “queimar” costuma ser usada para eles na fala do dia a dia. Mas um fogo é uma reação química que precisa de oxigênio e muda apenas o jeito como os átomos estão ligados. O Sol brilha por fusão: os centros dos átomos de hidrogênio se juntam e se tornam hélio, e um pouco de matéria se transforma em muita energia. É por isso que o Sol consegue brilhar por bilhões de anos e não precisa de ar.

Por fim, algumas pessoas acham que o ouro e outros elementos pesados foram feitos no Big Bang, junto com todo o resto. Na verdade, os primeiros minutos do universo fizeram só os elementos mais leves: hidrogênio, hélio e um pouco de lítio. O universo esfriou depressa demais para montar qualquer coisa mais pesada. O ouro e os outros elementos pesados foram feitos muito depois, em eventos extremos como a colisão de estrelas de nêutrons e provavelmente em algumas estrelas que explodem. Então o ouro de um anel é muito mais jovem do que o hidrogênio de um copo de água. Na próxima noite, vamos acompanhar alguns desses elementos espalhados enquanto eles se reúnem numa nova estrela e nos seus planetas: o Sol e a Terra.