MPIK recria pela primeira vez as primeiras reações químicas após a Grande Explosão com HeH+

As primeiras reações químicas que ocorreram na sequência da Grande Explosão foram recriadas, pela primeira vez, em condições semelhantes às do Universo recém-nascido.

Uma equipa de físicos liderada por Florian Grussie, do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK), na Alemanha, conseguiu reproduzir as reações do ião hidreto de hélio (HeH+), uma molécula que se forma quando um átomo de hélio neutro se combina com um átomo de hidrogénio ionizado.

Estas reações constituem os passos iniciais que conduzem à formação do hidrogénio molecular (H2), a molécula mais abundante do Universo e a matéria-prima a partir da qual nascem as estrelas. Por isso, o novo trabalho ajuda a esclarecer alguns dos processos mais antigos que acabaram por moldar o Universo tal como o conhecemos hoje.

Do plasma primordial aos primeiros elementos

Os momentos iniciais do Universo, há cerca de 13,8 mil milhões de anos, deram origem a uma mistura extremamente quente e densa de partículas fundamentais, com temperaturas tão elevadas que ainda não permitiam a formação de átomos.

Foi necessário aguardar aproximadamente 380 000 anos para que núcleos e eletrões perdessem energia suficiente e se organizassem nos primeiros elementos. Esses elementos eram os mais leves da tabela periódica: cerca de 75 por cento de hidrogénio, 25 por cento de hélio e apenas vestígios de lítio.

Ainda hoje o hidrogénio domina a “lista de ingredientes” do Universo, na forma de nuvens de gás molecular que alimentam as fornalhas estelares onde se produzem os elementos mais pesados, seja por fusão, seja através de explosões violentas.

HeH+ e a formação das primeiras estrelas

Nada disso, porém, poderia ocorrer sem o HeH+ - uma molécula que, segundo os cientistas, teve um papel enorme a arrefecer o Universo o suficiente para que as nuvens moleculares se pudessem contrair até atingirem a densidade necessária para colapsar sob a sua própria gravidade e formar as “sementes” das estrelas recém-nascidas.

A explicação está no facto de o HeH+ apresentar uma separação relativamente grande entre as suas cargas positiva e negativa. Quando existe um campo elétrico, uma molécula com grande separação de cargas sofre uma alteração energética que ajuda a dissipar calor. Assim, em teoria, o HeH+ foi decisivo para abrir caminho à formação das primeiras estrelas.

Experiência no Anel de Armazenamento Criogénico do MPIK

Os investigadores realizaram as experiências no Anel de Armazenamento Criogénico do Instituto Max Planck, uma infraestrutura concebida para executar experiências em vácuo e a temperaturas de apenas alguns graus acima do zero absoluto, cerca de -267 graus Celsius (-449 ºF), reproduzindo condições típicas do espaço profundo.

Nesse ambiente, observaram com cuidado as interações entre HeH+ e um átomo de hidrogénio com um neutrão adicional no núcleo, conhecido como deutério. Quando HeH+ interage com deutério, formam-se um átomo de hélio neutro e uma molécula composta por um átomo de hidrogénio neutro e um átomo de deutério com carga (HD+), com níveis de energia inferiores aos dos componentes iniciais.

No interior do anel de armazenamento, a equipa lançou dois feixes de partículas: um contendo moléculas de HeH+ e outro contendo deutério neutro. Em seguida, ajustou a velocidade de ambos os feixes para modificar a energia de colisão das partículas, usando essa energia como um equivalente de temperatura, para testar se a temperatura influenciava a velocidade da reação.

Não influenciava. A taxa a que a reação ocorreu manteve-se constante, independentemente dessa temperatura equivalente - o que indica que o papel do HeH+ no Universo primordial não diminuiu à medida que o arrefecimento avançava e que a sua contribuição para a formação da primeira geração de estrelas terá sido relevante.

"Teorias anteriores previam uma diminuição significativa da probabilidade de reação a baixas temperaturas, mas não conseguimos confirmar isso nem na experiência nem em novos cálculos teóricos feitos pelos nossos colegas", explica o físico Holger Kreckel, do MPIK.

"As reações de HeH+ com hidrogénio neutro e deutério parecem, por isso, ter sido muito mais importantes para a química do Universo primordial do que se supunha anteriormente."

A investigação foi publicada na revista Astronomia & Astrofísica.