Mecanismos de Reação de Fusão Nuclear nas Estrelas

Reação em Cadeia Próton-Próton (proton-proton chain reaction)

Esta é a reação de fusão nuclear estelar mais conhecida pelas pessoas. O núcleo do deutério, chamado de dêuteron, é formado pela combinação de um próton (p) e um nêutron (n). Portanto, para que dois prótons se combinem e formem um núcleo de deutério, um dos prótons precisa se transformar em um nêutron. Então, como um próton pode se transformar em um nêutron?

• O ‘decaimento beta’ é quando um nêutron ($n$) se transforma em um próton ($p$), liberando um elétron ($e⁻$) e um antineutrino ($\overline{\nu_e}$). Isso pode ser escrito como uma equação de reação: $n \rightarrow p + e^{-} + \overline{\nu_e}$.
• O processo de um próton ($p$) se transformando em um nêutron ($n$) corresponde ao processo inverso do decaimento beta. Por isso, é chamado de ‘decaimento beta inverso’. Então, como seria a equação de reação do decaimento beta inverso? Não há nada de especial em uma equação de reação nuclear. Basta trocar as posições do próton e do nêutron, mudar o elétron para um pósitron e o antineutrino para um neutrino. Expresso em uma equação, fica: $p \rightarrow n + e^{+} + \nu_e$.

Após a formação do núcleo de deutério através desse processo, forma-se o núcleo de hélio-3 através da reação $^2_1D + p \rightarrow {^3_2He}$, e finalmente, dois núcleos de hélio-3 colidem para formar um núcleo de hélio-4 e dois prótons.

Na verdade, existem vários caminhos para a reação em cadeia próton-próton. O caso acima é o mais representativo, mas existem outros caminhos. No entanto, os outros caminhos não têm uma proporção significativa em estrelas com massa inferior à do Sol, e em estrelas com massa 1,5 vezes maior que a do Sol, o ciclo CNO (que veremos a seguir) tem uma proporção muito maior do que a reação em cadeia próton-próton, então não os abordaremos separadamente aqui.

Esta reação em cadeia próton-próton ocorre predominantemente em temperaturas entre 10 milhões e 14 milhões de Kelvin. No caso do Sol, a temperatura central é de aproximadamente 15 milhões de Kelvin, e a reação pp representa 98,3% (o ciclo CNO representa os 1,3% restantes).

Ciclo Carbono-Nitrogênio-Oxigênio (Ciclo CNO)

O ciclo CNO é uma reação onde o carbono absorve prótons e se transforma em nitrogênio, e o nitrogênio absorve prótons e se transforma em oxigênio, e assim por diante, até que, finalmente, após absorver 4 prótons, libera 1 hélio e retorna ao carbono. A característica é que o carbono, nitrogênio e oxigênio atuam como catalisadores. Teoricamente, este ciclo CNO predomina em estrelas com massa 1,5 vezes maior que a do Sol. A diferença nas reações de acordo com a massa estelar está na diferença de dependência de temperatura entre a reação em cadeia próton-próton e o ciclo CNO. A primeira começa em temperaturas relativamente baixas, por volta de 4 milhões de Kelvin, e a taxa de reação é proporcional à quarta potência da temperatura. Por outro lado, a última começa em torno de 15 milhões de Kelvin, mas é muito sensível à temperatura (a taxa de reação é proporcional à 16ª potência da temperatura), de modo que em temperaturas acima de 17 milhões de Kelvin, o ciclo CNO passa a ter uma proporção maior.

Fonte da imagem

• Autor: Usuário do Wikimedia RJHall
• Licença: CC BY-SA 3.0

O ciclo CNO também tem vários caminhos. Divide-se amplamente em ciclo CNO de baixa temperatura (interior estelar) e ciclo CNO de alta temperatura (novas, supernovas), e em cada caso, existem três ou quatro caminhos de reação. Gostaria de abordar todas as reações do ciclo CNO, mas isso exigiria mais espaço do que temos disponível, então abordarei apenas o ciclo CN* mais básico, ou seja, o CNO-I.

*A razão pela qual é chamado de ciclo CN, sem o O, é porque não existe um isótopo estável de oxigênio nesse processo de reação.

Como mostrado na figura acima, carbono, nitrogênio e oxigênio circulam e atuam como catalisadores. No entanto, independentemente do caminho da reação, a equação total da reação e a quantidade total de energia gerada são as mesmas.

Leituras Adicionais

• Inkyu Park (Professor do Departamento de Física da Universidade da Cidade de Seul), Naver Cast Physics Walk: Quantos neutrinos são produzidos no Sol?
• Wikipedia, Proton-proton chain
• Wikipedia, CNO cycle