As estrelas supergigantes, ao fim de sua vida, acumulam um núcleo denso de ferro. Ao contrário do hidrogênio, hélio, carbono, entre outros, as estrelas não conseguem fundir elementos além do ferro, por mais massivas que elas sejam. Sem o processo de fusão, o núcleo se torna inerte e, sem a pressão interna para garantir o equilíbrio, se colapsa, produzindo uma supernova.
Mas por que nem a mais massiva das estrelas consegue fundir o ferro em novos elementos? O que tem de tão especial no ferro?
Reações endotérmicas e exotérmicas
Uma reação exotérmica é uma reação que libera energia para o meio. Nas estrelas, os núcleos leves de hidrogênio se fundem em núcleos mais pesados (como hélio), e essa reação libera energia, aquecendo o núcleo e fornecendo a pressão interna necessária para manter a estrela em equilíbrio.
Uma reação endotérmica é uma reação que absorve energia. Derreter um cubo de gelo ou dissolver nitrato de amônia em água são exemplos de reações que absorvem energia do meio.
No caso de uma estrela, se uma reação de fusão é endotérmica, você precisa fornecer energia para a reação acontecer, e isso esfria a estrela, ao invés de esquentá-la. As estrelas só conseguem sustentar reações que resultem em um saldo exotérmico durante suas vidas, porque essa energia emitida para fora é o que equilibra a gravidade.
Energia de ligação
Todo núcleo atômico é mantido unido pela força nuclear forte. A energia de ligação é a energia necessária para dividir o núcleo em seus prótons e nêutrons individuais.
Como $E = mc^2$, um núcleo atômico unido e coeso tem uma massa ligeiramente menor do que suas partes separadas. Por exemplo, dois prótons e dois nêutrons juntos num núcleo de hélio têm menos massa do que a soma das quatro partículas separadas. Essa massa “perdida” é a energia de ligação.
Uma maneira muito útil de pensar nisso é pela energia de ligação por núcleon (por próton/nêutron). Trace esse número para diferentes elementos e você obterá uma curva que:
- Aumenta acentuadamente do hidrogênio para o hélio, carbono, oxigênio…
- Atinge um pico próximo à região do ferro-níquel (tecnicamente, o pico absoluto está em torno do níquel-62),
- Depois, diminui lentamente para elementos mais pesados como prata, ouro, chumbo e urânio.
Esse gráfico significa que, indo da esquerda para a direita, fundir dois núcleos atômicos produz um núcleon com uma energia de ligação ainda maior. A energia é liberada (reação exotérmica).
A partir do ferro, a energia por núcleon começa a cair. Isso significa que fundir dois núcleos resulta em uma energia de ligação menor, portanto, mais energia deve ser fornecida para a reação acontecer. A reação é endotérmica. No caso de uma estrela, não há como fornecer essa energia, portanto, a reação de fusão cessa e a estrela morre.
Por que o ferro? O que ele tem de especial?
Não é que o ferro é um elemento especial. Não há nada de mágico no ferro quando comparado com outros elementos metálicos. A questão é meramente o tamanho do núcleo atômico e o equilíbrio entre as forças fundamentais.
A força nuclear forte é uma força atrativa de curtíssimo alcance. Ela consegue manter um monte de prótons positivos juntos, apesar da força eletrostática (força de Coulomb) querendo repelí-los. Não à toa a partícula mediadora da força forte se chama “glúon” (do inglês, glue, que significa “cola”).
No entanto, pela força nuclear forte ser de curto alcance, cada partícula se liga somente a um número limitado de vizinhos próximos. Já a força eletrostática de Coulomb tem alcance ilimitado. Em um dado momento, o núcleo se torna tão grande que adicionar mais partículas não tornará o núcleo suficientemente coeso pela força forte, mas fará total diferença com a força de Coulomb.
Esses efeitos opostos de atração (força nuclear forte) e de repulsão (força de Coulomb) se equilibram em torno da região do ferro e do níquel. É ali que se encontra o valor máximo de energia de ligação por núcleon.
