Como o sol nos aquece

O Sol nos envia cerca de 1 quilowatt de energia em cada metro quadrado da superfície da Terra, que os usuários de painéis solares conhecem. Isso é suficiente para operar 100 lâmpadas Led de 10 watts.

Csua energia chega até nós na forma de fótons. Uma pequena parte corresponde à faixa do visível, é aquela que é percebida pela retina do olho; os outros fótons são distribuídos entre infravermelho, ultravioleta, raios X e gama ... Tantos nomes que designam diferentes faixas de energia, algumas das quais nos aquecem, outras nos iluminam, outras deterioram as moléculas ou causam queimaduras solares ... Mas como nascem esses fótons ?

Os primeiros cálculos de energia solar

Por muito tempo, nos perguntamos de onde vinha a energia do Sol - por que nossa estrela está queimando? O cientista do século XIXe século Hermann von Helmholtz, promotor da princípio de conservação de energia, primeiro considerou o modelo de um Sol feito de carvão em chamas. Conhecendo a energia específica de combustão e a energia total emitida por nossa estrela, ele deduziu um tempo de vida de cerca de 5000 anos. Muito pequeno em comparação com todas as idades astrofísicas já conhecidas na época! A bola de carvão em brasa não era, portanto, a resposta certa. Sem nenhuma reação química capaz de explicar a luminosidade do Sol, Helmholtz formulou a hipótese de um colapso gravitacional: é a contração de um corpo maciço sob o efeito de sua própria atração. Ele estimou em 80 metros por ano o encolhimento do Sol necessário para produzir sua energia. Ele então estimou que o Sol poderia ter 20 milhões de anos. A conta ainda não estava lá!

Kelvin, por sua vez, abordou o problema. Ele hipotetizou um bombardeio de meteoro. Fazendo uma suposição plausível sobre a energia dos objetos que impactam o Sol, ele achou esta solução aceitável, mas o processo deveria ter afetado a rotação da Terra. Ele rejeitou e voltou à ideia de contração gravitacional. Aprimorando os cálculos de Helmholtz, ele obteve uma idade de 60 milhões de anos.

Sabemos hoje que a idade do Sol é 4,6 bilhões de anos, os cálculos, portanto, ficaram muito longe da conta. A solução correta viria no próximo século, o XXe, em um campo totalmente desconhecido na época: a física nuclear.

A fusão nuclear

Não foi até Hans Bethe na década de 1930 para entender que a energia solar resulta de um transmutação nuclear que ocorre no coração de nossa estrela, onde a densidade da matéria é forte o suficiente para "grudar" entre eles prótons. O Sol é feito dessas partículas primárias, que podem se fundir em um processo começando com a reação: p + p → d + e+e

Aqui, d denota a montagem de um próton e um nêutron, chamado Deuton. As reações estão ligadas em cascata para levar a uma fusão global entre 4 prótons que formam um núcleo de hélio (composto por 2 prótons e 2 nêutrons) acompanhado por 2 pósitrons (antielétrons) e 2 neutrinos, denotado ν. Ao mesmo tempo, essa reação libera uma energia de 28 MeV (4,5 10 -12 Joules em unidades do sistema internacional), que serão emitidos na forma de fótons.

Este processo implementa a equivalência massa-energia de acordo com a famosa fórmula de Einstein E = mc2. Na verdade, 4 prótons “pesam” mais do que um núcleo de hélio. Assim, a massa é convertida em energia, que é liberada no processo. Calcula-se que 5 gramas de combustível nuclear fornecem tanta energia quanto uma tonelada de carvão.

Verifique a teoria detectando neutrinos

Como verificar o que está escondido bem no centro do Sol? Com a produção de energia, deveria haver emissão de neutrinos - podemos detectá-los? A partir do brilho recebido, é muito fácil calcular o fluxo esperado dessas partículas. O resultado é notável: 1038 neutrinos são produzidos a cada segundo, resultando em um fluxo sobre a Terra de 60 bilhões de neutrinos por segundo por cm2.

Medir esse fluxo de neutrinos provaria que a fusão nuclear é de fato a fonte de energia solar. Problema, é excessivamente difícil capturar neutrinos. São partículas fantasmas que passam pela matéria sem quase deixar vestígios. No entanto, a caça começou e, na década de 1960, Ray Davis construiu uma grande piscina, cheio de 600 toneladas de líquido clorado, enterrado em uma mina de ouro em South Dakota.

Um neutrino em interação no líquido transforma um átomo de cloro em um átomo de argônio radioativo. O argônio radioativo vive em média 37 dias e pode ser detectado por meio de seu decaimento radioativo. Em Dakota, o fluido era testado a cada 10 dias ou mais; era preciso procurar núcleos interessantes afogados em 600 toneladas de líquido. No entanto, a medição foi da ordem de um argônio a cada três dias, quando o detector foi dimensionado para coletar um por dia. A obstinada pesquisa durou mais de 30 anos, até a década de 1990, mas as medições permaneceram deficitárias, dois terços dos neutrinos do Sol não respondiam ao chamado.

Foi fácil não confiar muito no resultado de Ray Davis, dada a dificuldade da medição. Tecnologicamente mais avançado, dois outros experimentos Gallex sob o túnel Gran Sasso na Itália e salva sob a montanha Elbrus, na Rússia, usou um método semelhante, desta vez convertendo o gálio em germânio radioativo. Esses dois experimentos também mediram um déficit de neutrinos em comparação com o fluxo previsto pela teoria! Assim, deram mais credibilidade à realidade desse déficit, mas não foi até a gigantesca experiência japonesa. SuperKamiokande convencer a comunidade de que não foram erros de medição.

O interior do tanque detector SuperKamiokande no Japão sendo preenchido em abril de 2006.
Copyright Kamioka Observatory, ICRR (Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos), Universidade de Tóquio

O método de detecção é diferente dos anteriores, pois SuperKamiokande detecta em tempo real a luz azulada emitida durante a passagem dos neutrinos (oEfeito Cherenkov) no enorme tanque de 50 quilotons - 7 vezes o peso da Torre Eiffel - que constitui o detector e está enterrado em uma galeria subterrânea. Modo bruto, os neutrinos podem interagir com os elétrons na água e liberá-los. Esses elétrons então se propagam mais rápido do que a luz que, na água, viaja “apenas” a 220 km / s. Eles dão um sinal de luz que segue a direção do neutrino inicial. O experimento SuperKamiokande, portanto, torna possível garantir que os neutrinos detectados realmente venham do Sol, que brilha em um ponto (conhecido) no céu. Na verdade, um pico forte é destacado na direção desejada: isso mostra claramente uma produção de neutrinos vindo do interior.

O Sol fez imagens por meio de seus neutrinos. O amarelo representa um maior fluxo de neutrinos, detectado pelo experimento SuperKamiokande.
Copyright Kamioka Observatory, ICRR (Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos), Universidade de Tóquio

Graças a esse estudo, SuperKamiokande consegue o desafio de uma “neutrinografia” em tempo real do Sol: tirar “fotos” do Sol enquanto estamos enterrados sob a rocha, tanto de dia como de noite: muito forte!

E que tudo isso faça uma estrela no meio da noite!

Victor Hugo, Contemplações

Os detectores de neutrinos mostram que um grande fluxo de neutrinos realmente vem do Sol, o que prova que a energia da estrela vem da fusão nuclear. Mas o enigma então dá uma nova guinada.

Déficit de neutrino

Apesar do tremendo fluxo de neutrinos solares recebidos pelo detector gigantesco, o experimento captura apenas 15 por dia, quando esperamos 40. O déficit foi confirmado, medido aqui em 60%. Para explicá-lo, uma ideia se impôs, a das oscilações.

Conhecemos 3 tipos diferentes de neutrinos. Os produzidos no Sol são do primeiro tipo, chamados neutrinos de elétrons, νe. Mas existem dois outros tipos, neutrinos muônica et tauicos. É possível que esses caras se misturem em uma viagem espacial trocando suas personalidades? Os detectores usados ​​detectaram apenas o νe. Para provar a ideia de oscilações, foi necessário capturar os tipos diferentes de νe. Essa era a missão de um dispositivo canadense chamado SNO (Observatório de Sudbury Neutrino) Instalado em uma mina perto de Toronto, o detector desta vez usa um quilotone de água pesada como meio sensível. Em águas pesadas, D2O, o próton é substituído por um deuton. Isso permite novos canais de reação em que todos os tipos de neutrinos participam - eletrônico, muônico, tauico.

A informação completa foi obtida por experimento. O resultado concluiu que o fluxo de neutrinos do Sol concorda bem com a previsão teórica, mas a parcela de νe explica apenas um terço do total. Esta é a prova flagrante da oscilação, dois terços dos neutrinos mudaram de sabor entre seu ponto de produção dentro do Sol e seu ponto de detecção na Terra. Qualquer que seja ?

A apoteose dos neutrinos

A oscilação é uma mudança espontânea entre diferentes tipos de neutrinos, tão drástica quanto a conversão de uma maçã em uma pêra ao cair no pomar de Newton; é uma encenação concreta das relações deIncerteza de Heisenberg. A oscilação implementa as propriedades mais sutis da mecânica quântica e implica que os neutrinos têm massa diferente de zero, o que não era de forma alguma óbvio.

Hoje, e graças aos esforços combinados de vários experimentos meticulosos, a oscilação tornou possível medir massas extremamente pequenas: elas são menos de um bilionésimo da massa de um próton. Mas também sabemos que os neutrinos são bilhões de vezes mais abundantes do que outras partículas da matéria, daí a fantástica conclusão: no balanço do universo, os neutrinos, essas partículas aparentemente tão humildes, pesam tanto quanto todas as estrelas. De todas as galáxias .

O Sol envia uma energia da ordem de 1 kW / m para a Terra2 na forma de fótons, mas também envia um fluxo adicional de 600 bilhões de neutrinos. Estes carregam uma energia adicional de cerca de 000 W / m2. Mas, ao contrário dos fótons, eles não são interceptados por painéis solares e, portanto, sua energia não pode ser capturada. Porém, essas partículas podem ser muito discretas, sem neutrinos, o Sol não brilharia e não estaríamos aqui para falar sobre isso.A Conversação

François Vannucci, Professor emérito, pesquisador em física de partículas, especialista em neutrinos, Universidade de Paris

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob licença Creative Commons. Leia oartigo original.

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