Como os átomos se formam desde o Big Bang

Richard Feynman, célebre físico teórico e vencedor do Prémio Nobel, afirmava que, se pudesse deixar apenas uma única informação científica para as gerações futuras, seria esta: tudo é feito de átomos.

Saber como os átomos surgem é uma questão essencial - afinal, eles constituem tudo o que tem massa.

Responder por completo de onde vêm os átomos exige muita física - e, mesmo assim, físicos como eu acabam por trabalhar com boas hipóteses para explicar como certos átomos se formam.

O que é um átomo?

Um átomo tem um centro pesado, chamado núcleo, composto por partículas conhecidas como protões e neutrões. À volta do núcleo ficam partículas mais leves, os electrões, que pode imaginar como se estivessem a orbitar o núcleo.

Cada electrão transporta uma unidade de carga negativa; cada protão, uma unidade de carga positiva; e os neutrões não têm carga. Como um átomo possui o mesmo número de protões e de electrões, ele é neutro - não apresenta carga total.

Hoje, a maior parte dos átomos do universo pertence aos dois tipos mais simples: o hidrogénio, com um protão, zero neutrões e um electrão; e o hélio, com dois protões, dois neutrões e dois electrões. Naturalmente, na Terra existem muitos outros átomos muito comuns - como o carbono e o oxigénio -, mas falarei deles já a seguir.

Os cientistas chamam de elemento um conjunto de átomos que são todos iguais, isto é, que têm o mesmo número de protões.

Quando se formaram os primeiros átomos?

A maior parte dos átomos de hidrogénio e hélio do universo apareceu cerca de 400.000 anos após o Big Bang - nome dado ao momento em que os cientistas consideram que o universo começou, há aproximadamente 14 mil milhões de anos.

Por que motivo essa formação ocorreu nessa altura? Ao observarem estrelas distantes a explodir, os astrónomos sabem que o universo tem vindo a expandir-se desde o Big Bang. Quando os primeiros átomos de hidrogénio e hélio se formaram, o universo era cerca de 1.000 vezes menor do que é hoje.

Com base nas leis da física, os cientistas entendem também que um universo menor era, necessariamente, muito mais quente.

Antes desse período, os electrões tinham energia em excesso para se fixarem em órbitas à volta dos núcleos de hidrogénio e hélio. Assim, esses átomos só puderam existir quando o universo arrefeceu para algo em torno de 2.760 °C (5.000 °F). Por razões históricas, esse processo é chamado de recombinação - embora “combinação” descrevesse melhor o que acontece.

Os núcleos de hélio e de deutério - uma forma mais pesada de hidrogénio - surgiram ainda antes: apenas alguns minutos depois do Big Bang, quando a temperatura estava acima de 556 milhões de °C (1 bilião de °F). Protões e neutrões só conseguem colidir e formar núcleos como esses em temperaturas extremamente elevadas.

Os cientistas consideram que quase toda a matéria comum do universo é composta por cerca de 90% de átomos de hidrogénio e 8% de átomos de hélio.

Como se formam átomos mais massivos?

Portanto, os átomos de hidrogénio e de hélio apareceram durante a recombinação, quando a queda de temperatura permitiu que os electrões ocupassem órbitas. Mas eu, você e praticamente tudo na Terra somos feitos de átomos muito mais massivos do que hidrogénio e hélio. Então, como esses átomos foram produzidos?

A resposta surpreende: os átomos mais pesados são fabricados no interior das estrelas. Para construir átomos com vários protões e neutrões presos num único núcleo, são necessárias colisões de alta energia, típicas de ambientes muito quentes. A energia para formar um núcleo mais pesado precisa ser suficiente para vencer a força eléctrica repulsiva sentida por cargas positivas - como acontece entre dois protões.

Além disso, protões e neutrões têm outra propriedade - algo como um tipo diferente de “carga” - intensa o bastante para mantê-los unidos assim que conseguem aproximar-se bastante. Essa propriedade é chamada de força forte, e o processo que “cola” essas partículas recebe o nome de fusão.

Os cientistas acreditam que a maioria dos elementos do carbono até ao ferro se forma por fusão em estrelas mais massivas do que o nosso Sol, onde a temperatura pode ultrapassar 556 milhões de °C (1 bilião de °F) - a mesma temperatura que o universo tinha quando tinha apenas alguns minutos de idade.

Mesmo em estrelas muito quentes, porém, não se formam elementos mais pesados do que ferro e níquel. Para isso, é preciso energia extra, porque elementos mais pesados se fragmentam com maior facilidade.

Num acontecimento dramático chamado supernova, o núcleo interno de uma estrela massiva colapsa subitamente depois de ela esgotar o combustível para queimar. Na explosão poderosa desencadeada por esse colapso, podem formar-se elementos mais pesados do que o ferro, que depois são ejectados para o universo.

Os astrónomos ainda procuram compreender em detalhe outros eventos estelares impressionantes que geram átomos maiores. Por exemplo, a colisão de estrelas de neutrões pode libertar quantidades enormes de energia - e elementos como o ouro - no processo que as leva a formar buracos negros.

Para entender como os átomos são produzidos, basta aprender um pouco de relatividade geral, além de física nuclear, de partículas e atómica. Para complicar, contudo, existe no universo algo que não parece ser feito de átomos normais: a matéria escura. Os cientistas investigam o que é a matéria escura e como ela poderá formar-se.

Stephen L. Levy, Professor Associado de Física e Física Aplicada e Astronomia, Binghamton University, State University of New York

Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.