A surpreendente razão quântica pela qual o Sol brilha

A Terra, como a conhecemos, só está repleta de vida por causa da influência do nosso Sol. Sua luz e calor fornecem a cada metro quadrado da Terra — quando está sob a luz direta do sol — uma potência constante de aproximadamente 1.500 W, o suficiente para manter nosso planeta em uma temperatura confortável para a existência contínua de água líquida em sua superfície. Assim como as centenas de bilhões de estrelas em nossa galáxia em meio aos trilhões de galáxias no Universo, nosso Sol brilha continuamente, variando apenas ligeiramente ao longo do tempo.

Mas sem a física quântica, o Sol não brilharia. Mesmo nas condições extremas encontradas no núcleo de uma estrela massiva como o nosso Sol, as reações nucleares que o alimentam não poderiam ocorrer sem as propriedades bizarras que nosso universo quântico exige. Felizmente, nosso Universo é quântico por natureza, permitindo que o Sol e todas as outras estrelas brilhem como brilham. Aqui está a ciência de como funciona.

A luz das estrelas é a maior fonte de energia do Universo ao longo de toda a sua história de 13,8 bilhões de anos, após o quente Big Bang. Essas grandes e massivas concentrações de hidrogênio e hélio se contraem sob sua própria gravidade quando se formam pela primeira vez, fazendo com que seus núcleos se tornem cada vez mais densos enquanto aquecem. Eventualmente, um limite crítico é alcançado – em temperaturas de ~ 4 milhões de kelvin e densidades superiores à do chumbo sólido – onde a fusão nuclear começa no núcleo da estrela.

Mas aqui está o quebra-cabeça: você pode determinar exatamente quanta energia as partículas do Sol devem ter e calcular como essas energias são distribuídas. Você pode calcular que tipos de colisões ocorrem entre os prótons no núcleo do Sol e comparar isso com quanta energia é necessária para realmente colocar dois prótons em contato físico um com o outro: superando a repulsão elétrica entre eles.

E quando você faz seus cálculos, chega a uma conclusão chocante: não há nenhuma colisão acontecendo ali com energia suficiente para levar à fusão nuclear. Zero. Nenhum mesmo.

À primeira vista, isso parece tornar a fusão nuclear – e, portanto, a capacidade do Sol de brilhar – completamente impossível. E, no entanto, com base na energia que observamos vinda do Sol, sabemos que ela, de fato, brilha.

Nas profundezas do Sol, nas regiões mais internas onde a temperatura varia entre 4 milhões até 15 milhões de kelvin, o núcleo de quatro átomos de hidrogênio iniciais (ou seja, prótons individuais) se fundirá em uma reação em cadeia, com o resultado final produzindo um núcleo de hélio (feito de dois prótons e dois nêutrons), juntamente com a liberação de uma quantidade significativa de energia.

Essa energia é transportada na forma de neutrinos e fótons e, embora os fótons possam levar mais de 100.000 anos antes de chegarem à fotosfera do Sol e irradiarem para o espaço, os neutrinos saem do Sol em meros segundos, onde estivemos detectá-los na Terra desde a década de 1960.

Você pode pensar sobre esse cenário e ficar um pouco confuso, pois não é óbvio como a energia é liberada dessas reações. Os nêutrons, você vê, são ligeiramente mais massivos do que os prótons: cerca de 0,1%. Quando você funde quatro prótons em um núcleo contendo dois prótons e dois nêutrons, pode pensar que a reação exigiria energia em vez de emiti-la.

Se todas essas partículas fossem livres e não ligadas, isso seria verdade. Mas quando nêutrons e prótons são unidos em um núcleo como o hélio, eles acabam sendo tão fortemente ligados que na verdade são significativamente menos massivos do que seus constituintes individuais não ligados. Enquanto dois nêutrons têm cerca de 2 MeV (onde um MeV é um milhão de elétron-volts, uma medida de energia) mais energia do que dois prótons - via E = mc² de Einstein - um núcleo de hélio é o equivalente a 28 MeV mais leve que quatro prótons não ligados .

Em outras palavras, o processo de fusão nuclear libera energia: cerca de 0,7% dos prótons que se fundem são convertidos em energia, transportada por neutrinos e fótons.