20.5: O ciclo de vida do material cósmico

Objetivos de

• Explique como a matéria interestelar flui para dentro e para fora de nossa galáxia e se transforma de uma fase para outra, e entenda como a formação e evolução de estrelas afetam as propriedades do meio interestelar
• Explique como os elementos pesados e os grãos de poeira encontrados no espaço interestelar chegaram lá e descreva como os grãos de poeira ajudam a produzir moléculas que eventualmente chegam aos sistemas planetários.

Fluxos de gás interestelar

A coisa mais importante a entender sobre o meio interestelar é que ele não é estático. O gás interestelar orbita pela galáxia e, ao fazer isso, pode se tornar mais ou menos denso, mais quente e mais frio e mudar seu estado de ionização. Uma parcela específica de gás pode ser hidrogênio neutro em algum momento, depois se encontrar perto de uma estrela jovem e quente e se tornar parte de uma região H II. A estrela pode então explodir como uma supernova, aquecendo o gás próximo até temperaturas de milhões de graus. Ao longo de milhões de anos, o gás pode esfriar novamente e se tornar neutro novamente, antes de se acumular em uma região densa onde a gravidade se reúne em uma nuvem molecular gigante (Figura\(\PageIndex{1}\))

Figura Distribuição\(\PageIndex{1}\) em grande escala da matéria interestelar. Esta imagem é de uma simulação computacional do meio interestelar da Via Láctea como um todo. A maioria do gás, visível em cores esverdeadas, é hidrogênio neutro. Nas regiões mais densas dos braços espirais, mostradas em amarelo, o gás é coletado em nuvens moleculares gigantes. Os orifícios de baixa densidade nos braços espirais, mostrados em azul, são o resultado de explosões de supernovas.

Em qualquer momento da Via Láctea, a maior parte do gás interestelar em massa e volume está na forma de hidrogênio atômico. As nuvens moleculares muito mais densas ocupam uma pequena fração do volume do espaço interestelar, mas adicionam aproximadamente 30% à massa total de gás entre as estrelas. Por outro lado, o gás quente produzido pelas explosões de supernovas contribui com uma massa insignificante, mas ocupa uma fração significativa do volume do espaço interestelar. As regiões HII, embora sejam visualmente espetaculares, constituem apenas uma fração muito pequena da massa ou do volume do material interestelar.

No entanto, o meio interestelar não é um sistema fechado. O gás do espaço intergaláctico cai constantemente na Via Láctea devido à sua gravidade, adicionando novo gás ao meio interestelar. Por outro lado, em nuvens moleculares gigantes onde o gás se acumula devido à gravidade, o gás pode entrar em colapso para formar novas estrelas, conforme discutido em O Nascimento das Estrelas e a Descoberta de Planetas fora do Sistema Solar. Esse processo bloqueia a matéria interestelar em estrelas. À medida que as estrelas envelhecem, evoluem e eventualmente morrem, estrelas massivas perdem uma grande fração de sua massa, e estrelas de baixa massa perdem muito pouco. Em média, cerca de um terço da matéria incorporada às estrelas volta para o espaço interestelar. As explosões de supernovas têm tanta energia que podem expulsar a massa interestelar da galáxia e voltar para o espaço intergaláctico. Assim, a quantidade total de massa do meio interestelar é definida por uma competição entre o ganho de massa do espaço intergaláctico, a conversão da massa interestelar em estrelas e a perda de massa interestelar de volta ao espaço intergaláctico devido às supernovas. Todo esse processo é conhecido como ciclo bariônico — bárion vem da palavra grega para “pesado”, e o ciclo tem esse nome porque é o processo repetido pelo qual os componentes mais pesados do universo — os átomos — passam.

O ciclo de poeira e elementos pesados

Embora grande parte da massa do meio interestelar seja material acumulado durante os últimos bilhões de anos do espaço intergaláctico, isso não é verdade para os elementos mais pesados que o hidrogênio e o hélio, ou para a poeira. Em vez disso, esses componentes do meio interestelar foram feitos dentro de estrelas na Via Láctea, o que os devolveu ao meio interestelar no final de suas vidas. Falaremos mais sobre esse processo nos próximos capítulos, mas, por enquanto, lembre-se do que aprendemos em The Sun: A Nuclear Powerhouse. O que as estrelas “fazem para viver” é fundir elementos mais pesados com elementos mais leves, produzindo energia no processo. À medida que as estrelas amadurecem, elas começam a perder alguns dos elementos recém-criados para o reservatório de matéria interestelar.

O mesmo se aplica aos grãos de poeira. A poeira se forma quando os grãos podem se condensar em regiões onde o gás é denso e frio. Um lugar onde as condições certas são encontradas são os ventos de estrelas frias e luminosas (as gigantes vermelhas e supergigantes que discutimos em The Stars: A Celestial Census). Os grãos também podem se condensar na matéria lançada pela explosão de uma supernova quando os gases ejetados começam a esfriar.

Os grãos de poeira produzidos pelas estrelas podem crescer ainda mais quando passam algum tempo nas partes densas do meio interestelar, dentro de nuvens moleculares. Nesses ambientes, os grãos podem se unir ou coletar átomos adicionais do gás ao seu redor, ficando maiores. Eles também facilitam a produção de outros compostos, incluindo algumas das moléculas mais complexas que discutimos anteriormente.

As superfícies dos grãos de poeira (veja Poeira Cósmica) - que pareceriam muito grandes se você fosse um átomo - fornecem “cantos e fendas” onde esses átomos podem permanecer por tempo suficiente para encontrar parceiros e formar moléculas. (Pense nos grãos de poeira como “clubes sociais interestelares” onde átomos solitários podem se encontrar e formar relacionamentos significativos.) Eventualmente, os grãos de poeira ficam cobertos de gelo. A presença da poeira protege as moléculas dentro das nuvens da radiação ultravioleta e dos raios cósmicos que as quebrariam.

Quando as estrelas finalmente começam a se formar dentro da nuvem, elas aquecem os grãos e evaporam os gelos. A atração gravitacional das estrelas recém-formadas também aumenta a densidade do material da nuvem circundante. Muitas outras reações químicas ocorrem na superfície dos grãos no gás ao redor das estrelas recém-formadas, e essas áreas são onde as moléculas orgânicas são formadas. Essas moléculas podem ser incorporadas em sistemas planetários recém-formados, e a Terra primitiva pode ter sido semeada exatamente dessa maneira.

De fato, cientistas especulam que parte da água da Terra pode ter vindo de grãos interestelares. Observações recentes do espaço mostraram que a água é abundante em densas nuvens interestelares. Como as estrelas são formadas a partir desse material, a água deve estar presente quando os sistemas solares, inclusive o nosso, surgirem. A água em nossos oceanos e lagos pode ter vindo inicialmente da água retida no material rochoso que se acumulou para formar a Terra. Alternativamente, a água pode ter sido trazida para a Terra quando asteróides e cometas (formados a partir da mesma nuvem que criou os planetas) a impactaram posteriormente. Os cientistas estimam que o impacto de um cometa a cada mil anos durante o primeiro bilhão de anos da Terra teria sido suficiente para explicar a água que vemos hoje. É claro que ambas as fontes podem ter contribuído para a água em que agora gostamos de beber e nadar.

Quaisquer grãos interestelares que sejam incorporados às estrelas recém-formadas (em vez dos planetas mais frios e corpos menores ao redor delas) serão destruídos por suas altas temperaturas. Mas, eventualmente, cada nova geração de estrelas evoluirá para se tornar gigantes vermelhas, com seus próprios ventos estelares. Algumas dessas estrelas também se tornarão supernovas e explodirão. Assim, o processo de reciclagem de material cósmico pode começar tudo de novo.

Conceitos principais e resumo

A matéria interestelar está constantemente fluindo pela galáxia e mudando de uma fase para outra. Ao mesmo tempo, gás é constantemente adicionado à galáxia por acreção do espaço extragalático, enquanto a massa é removida do meio interestelar ao ser bloqueada em estrelas. Parte da massa nas estrelas é, por sua vez, devolvida ao meio interestelar quando essas estrelas evoluem e morrem. Em particular, os elementos pesados no espaço interestelar foram todos produzidos dentro das estrelas, enquanto os grãos de poeira são produzidos nas regiões externas das estrelas que se transformaram em gigantes. Esses elementos e grãos, por sua vez, podem então ser incorporados a novas estrelas e sistemas planetários que se formam a partir do meio interestelar.

Glossário

ciclo bariônico

o ciclo de massa para dentro e para fora do meio interestelar, incluindo acreção de gás do espaço intergaláctico, perda de gás de volta para o espaço intergaláctico e conversão de gás interestelar em estrelas