Astrofísica Nuclear

Projeto

Resumo

A evolução da estrela desde o nascimento a partir de poeira cósmica até a morte, seja na forma de implosão-explosão da supernova no caso de estrelas massivas ou a formação de anão branco para a estrela menor, constitui um campo de imensa importância em física e astronomia. Uma parte importante da evolução estelar é a queima da combustível nuclear, que acontece durante toda vida da estrela e fornece o mecanismo que impede o colapso da mesma devido a imensa atração gravitacional. A maneira como matéria nuclear dentro da estrela evolui é através dos vários tipos de reações que transforme elementos leves como Hidrogênio em núcleos mais pesados tal como Helio, Carbono etc. De acordo com a massa da estrela a composição nuclear no seu interior é tal que algumas reações dominam o processo da queima. No Sol, uma estrela com massa relativamente pequena, as reações que dominam são a transformação de Hidrogênio em Helio, enquanto em estrelas bem mais massivas, reações envolvendo elementos mais pesados como Oxigênio, Neon etc. se transformam em elementos ainda mais pesados. De fato estas transmutações dos elementos desde os que existiram na época logo após do Big Bang (como Hidrogênio, Helio, Lítio etc.) até os bem mais pesados como Chumbo e Urânio se deve às cadeias de reações nucleares nas estrelas, através do processo de fusão.

Em vários etapas nestas cadeias são produzidos elementos radioativos que não existem na natureza, mas são importantes elos entre uma parte da cadeia e a outra que segue. Fica evidente que o estudo da fusão que envolve estes núcleos radioativos, tal como 11Li (3 protons + 8 neutrons) e 230 (8 protons + 15 neutrons), torna-se muito importante. A nossa intenção, neste projeto que está sendo desenvolvido no IEA-USP, é nos dedicar a este tipo de estudo. O estudo proposto será através de discussões e debates em reuniões regulares envolvendo pesquisadores de renome de dentro e de fora da USP, inclusive de fora do Brasil, e a realização de projetos de pesquisa e publicações científicas resultantes.

Justificativa

O nosso estudo envolve questões em física e astrofísica que não são feitas regulamente no Instituto de Física e no Instituto Astronômico e Geofísico da USP. Usaremos a estatística não-extensiva do Constantino Tsallis (do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio), que utiliza uma definição da entropia (falta de informação) que não é aditiva, contraria a definição usual do Boltzman-Gibbs.

Com esta entropia não aditiva, estudamos a questão da evolução estelar e universal (cosmologia). Alem disso, estudaremos problemas atuais em astrofísica nuclear.

Impactos Científicos e Sociais:

É notório que o estudo do universo e das estrelas capta a imaginação da população leiga em geral, além de ser uma atividade intelectual de grande valor científico. Saber responder questões como, por exemplo, de onde vem Cloro, ou Chumbo, e os elementos que compôs os nossos corpos (Hidrogênio, Oxigênio, Cálcio, etc.) é algo que fascina cientistas e leigos em geral. As atividades que serão desenvolvidas no IEA-USP trarão benefícios óbvios em conscientizar a comunidade destas questões e as possíveis respostas.

Através de reuniões mensais o grupo propõe discutir os vários aspectos de evolução nuclear das estrelas e especificamente no que concerne o envolvimento de núcleos instáveis e o uso da estatística de Tsallis. Propõe também estudar a evolução nuclear em estrelas binárias como a Eta Carinae. Este sistema de duas estrelas uma menor alimenta a outra maior, sofre um “apagão” cada 5.52 anos e tem uma taxa de queima de combustível nuclear muito alta (o apagão foi previsto e estudado pelo astrofísico Augusto Damineli da IAG-USP). Não há ainda um mecanismo conhecido e elaborado que explique tal aceleração na queima.

Preterá discutir e estudar esta questão, tendo em vista o fato que o sistema roda com velocidade de rotação muito alta. O estudo neste caso envolve o efeito da força chamada de Coriolis, que origine da rotação (uma das chamadas forças não inerciais), na taxa de reação nuclear. Estudos feitos no laboratório sobre o efeito do campo magnético na fusão de núcleos em baixas energias (que equivale às temperaturas no centro das estrelas usuais ou na superfície da estrela primária em estrelas binárias) mostram um aumento muito grande na probabilidade de túnel (o efeitos quântico responsável pela fusão). Se espera que a força Coriolis, que tem as mesmas características como a da força magnética, também resulta em aumento na taxa de fusão nuclear em sistemas estelares binários.

O projeto conta com a participação de físicos no IFUSP e das Universidades Federais Fluminense, do Rio de Janeiro, e do Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas (CBPF).

Cronograma de reuniões internas/periodicidade

O grupo deverá organizar um ou dois "workshops" por ano. O 1^o em fevereiro/marco de 2011 e contará com a presença de 15 a 20 participantes. Este 1^o workshop poderá contar com pesquisadores estrangeiros. O outro workshop, que será nacional, deverá ocorrer no segundo semestre de 2011 (outobro ou novembro), e envolverá palestras em língua portuguesa para 20 participantes do Brasil. Os resumos, palestras etc. destes workshops serão publicados como edição especial da revista do IEA ou como livro de atas. Contamos com apoio da FAPESP através de projeto temático que coordenamos (Proc. No. 2011/19889-2)

Produção do Projeto

1) Artigos científicos originais (papers) em astrofísica nuclear e áreas afim. Desde que o Prof. Mahir Hussein se associou ao IEA como Pesquisador Visitante, em 2011, publicou um total de 14 artigos em revistas internacionais de renome. Atualmente tem dois artigos sobre o tema desta proposta aceitos para publicações.

2) Artigos de divulgação. Atas (Proceedings) das reuniões do projeto, por meios eletrônicos e impressos. Os resumos, palestras etc. dos workshops seram publicados como edição especial da revista do IEA ou como livro de atas.

Colaboradores Brasileiros:

1. Alinka Lepine - IFUSP

2. Rubens Lichenthaler - IFUSP

3. Valdir Guimarães - IFUSP

4. Leandro Gasques - IFUSP

5. Luiz Carlos Chamon - IFUSP

6. Mauricio Porto Pato - IFUSP

5. Elcio Abdalla - IFUSP

6. Luis Felipe Canto - IFUFRJ

7. Paulo Roberto S. Gomes - IFUFF

8. Jesus Lubian - IFUFF

9. Antonio F. R. de Toledo Piza-IFUSP

10. Constantino Tsallis - CBPF

Prováveis Colaboradores Internacionais:

O projeto também poderá contar com o apoio e participação de um número razoável de pesquisadores de renome no exterior.

1. Carlos Bertulani, Universidade Texas A&M, EUA.

2. Pedro Avelino, Universidade de Porto, Portugal

3. Pierre Descouvemont, Universidade Libre de Bruxelas, Bélgica

4. Shigeru Kubono, Universidade de Tokyo, Japão.

5. Michael Wiescher, Universidade Notre Dame, EUA

6. Roland Diehl, Max-Planck-Institute- Munique-Alemanha

Origem de recursos financeiros

Contamos com o apoio de um Projeto Temático da FAPESP e de um Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica. O Prof. Mahir Hussein é coordenador do Projeto Temático e pesquisador principal no segundo. Também contaremos com um Projeto CEPID da FAPESP que esta na fase de assinatura e durará 11 anos. O Prof. Hussein é um dos 4 pesquisadores principais deste projeto, coordenado pelo professor Vanderlei S. Bagnato do IF-USP-Sao Carlos.