04:45 08 Dicembre 2019
Big Bang

Misteri della nucleosintesi: cosa nascondono i coetanei del Big Bang

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Gli astronomi hanno trovato tracce di una delle primissime molecole che videro la luce nell’universo nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang, l’idruro di elio.

Per la prima volta si è riusciti a dimostrare sull’esempio dello stronzio che in fase di fusione tra 2 stelle di neutroni vengono sintetizzati elementi pesanti. Sputnik tenta di spiegare da dove siano nati gli elementi chimici nello spazio e come siano finiti sulla Terra.

Impurità spaziali

Le stelle sono composte per il 71% di idrogeno e per il 27% di elio. Questi sono 2 degli elementi chimici più leggeri che danno avvio alla tavola di Mendeelev. Gli altri atomi più pesanti sono presenti in percentuali esigue. Questo rapporto è totalmente diverso da ciò che osserviamo sulla Terra.

Il rivestimento roccioso superiore del nostro pianeta è per metà composto di ossigeno e per un quarto di silicio. Poi in ordine decrescente di presenza troviamo l’alluminio, il ferro, il calcio, il sodio e il potassio (ognuno presente tra il 5 e il 2%). I restanti elementi sono presenti per circa il 4%. Tutti questi sono elementi con masse atomiche molto superiori a quella dell’idrogeno il quale non cade verso la superficie terrestre per via del suo debole campo gravitazionale.

Dunque, la Terra e gli altri pianeti sono “particelle di impurità” in cui sono concentrati gli elementi pesanti.

All’inizio della tavola periodica

Subito dopo il Big Bang l’universo era un insieme di energia caldissima che in una milionesima frazione di secondo si trasformò in plasma di quark e gluoni; un attimo dopo, raffreddatosi leggermente, vide la formazione di protoni (in particolare idrogeno) e neutroni, ossia particelle elementari dalle quali poi presero forma i nuclei atomici. Ma gli atomi non erano ancora in grado di esistere in un ambiente così caldo e denso.

Dopo soli 100 secondi dalla nascita dell’universo i primi a fare la loro comparsa furono i nuclei più leggeri: gli isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio), elio e litio. A partire da questi elementi presero forma le stelle. Gli scienziati ritengono che queste prime stelle furono estremamente massicce, nell’ordine di centinaia di volte più pesanti del Sole. Questo diede avvio nei loro nuclei a una reazione termonucleare in seguito alla quale vennero sintetizzati elio, litio e berillio. Nello spazio, che nel frattempo continuava ad espandersi, fu emessa una grande quantità di energia. Da allora è rimasta la cosiddetta radiazione di fondo.

Gli atomi pesanti in grado di raffreddare il gas stellare cominciarono ad essere prodotti all’interno dei nuclei delle stelle dopo 400.000 anni dal Big Bang. Tuttavia, le prime stelle erano troppo massicce e calde, per questo vissero per poco tempo per poi esplodere, lasciando dietro di sé le supernove.

Questa è una tappa fondamentale nell’evoluzione dell’universo il quale così si arricchì di carbonio, ossigeno, azoto, ferro e di altri “metalli” (è così che gli astrofisici chiamano tutti gli elementi più pesanti dell’elio). Grazie a loro il gas si fece più freddo dando così inizio alla successiva generazione di stelle di massa molto inferiore e paragonabile a quella del Sole.

Queste stelle vissero molto più a lungo, per miliardi di anni.

Circa un miliardo di anni dopo il Big Bang di stelle massicce ne rimasero poche, le supernove brillavano sempre meno. Sembrava che la formazione del ferro e degli altri elementi pesanti avrebbe subito un calo. Tuttavia, gli scienziati ipotizzano che così non accadde. Il metallo oggi si trova in supernove di tipo Ia originate dall’esplosione di una nana bianca e di una stella comune. Di questo ha parlato Aleksandr Lutovinov dell’Istituto di studi spaziali presso l’Accademia nazionale russa delle scienze (RAN) in occasione del festival Nauka 0+ tenutosi presso l’Università statale di Mosca (MGU).

Stelle di metallo

I metalli nella concezione astrofisica del termine (fino allo zinco) si formarono nei nuclei caldi delle stelle nelle reazioni di collasso o fusione dei nuclei. Per sintetizzare atomi più pesanti non vi era energia a sufficienza, per questo fu applicato un meccanismo grazie al quale il nucleo cattura neutroni ad ogni decadimento beta. La cattura di neutroni può avvenire rapidamente, in 1-2 secondi. Tale processo è chiamato processo r. Allo stesso modo si formano gli isotopi pesanti con molti neutroni i quali poi decadono fino alle loro forme più stabili, dallo stronzio all’uranio. Circa metà degli atomi stabili fu sintetizzata in questa tipologia di reazione.

L’altra metà si venne a creare in una reazione più lenta rispetto al decadimento beta degli isotopi instabili, ossia il processo s e le diverse forme del processo i che richiede una densità maggiore di neutroni.

Come scrive Anna Frebel del MIT di Boston, nell’ultimo periodo si è sviluppata la cosiddetta archeologia galattica. Fra gli obiettivi di questa nuova branca di studi vi è l’effettuazione di “scavi” all’interno di antiche stelle di galassie nane volti a trovare tracce della nascita degli elementi chimici pesanti.

I corpi celesti più importanti per l’archeologia galattica sono le stelle antiche localizzate alla periferia delle galassie e formatesi subito dopo il Big Bang, ossia circa 13 miliardi di anni fa. Tali stelle sono più leggere (meno di 80 volte la massa del Sole) ed emettono pochissima radiazione. La loro antichissima origine è testimoniata dal basso contenuto di metalli.

Grazie alle stelle più antiche dell’alone galattico della Via Lattea gli scienziati riescono a rivolgere lo sguardo nella culla dell’universo e a comprendere come sia iniziata l’evoluzione degli elementi chimici.

Una galassia antica rileva nuovi segreti

Nel 2015 taluni astrofisici scoprirono una galassia nana le cui stelle erano arricchite di elementi formatisi in sede di processi r. La galassia Reticolo II si trova nell’alone galattico e dista 30 chiloparsec dal centro della Via Lattea. È molto piccola e debole, contiene alcune migliaia di stelle, ma è massiccia quanto a materia oscura. Ha 12 miliardi di anni. Sette delle sue nove stelle più luminose sono ricche di bario ed europio sintetizzati per il tramite della cattura rapida di neutroni.

Circa 60 anni fa gli scienziati ipotizzarono che i metalli presenti nell’universo precoce si fossero formati per il tramite del processo r. In qualità di fonti si ipotizzarono le supernove, la fusione tra una stella di neutroni e un buco nero oppure tra due stelle di neutroni. Grazie alla galassia Reticolo II fu appurato che la fusione di due stelle di neutroni sarebbe il fenomeno più verosimile a rappresentare una sorta di laboratorio chimico dell’universo precoce nel quale si verificò la nucleosintesi per il tramite di processi r.

Le stelle di neutroni danno vita allo stronzio

Nell’agosto del 2017 gli interferometri laser LIGO e Virgo registrarono un’onda gravitazionale derivata dalla fusione di due stelle di neutroni. La fonte fu denominata GW170817. In seguito, il Very Large Telescope (VLT) dell’Osservatorio europeo australe in Cile fu direzionato verso il luogo della fusione e registrò una scintilla di radiazione elettromagnetica, una kilonova. Si ritiene che questa sia la traccia radioattiva di un evento susseguitosi alla sintesi di isotopi pesanti instabili.

Nello spettro della kilonova gli astronomi osservarono diversi elementi pesanti, ma non furono in grado di identificarli con precisione. Pochi giorni fa una grande équipe di scienziati provenienti da diverse nazioni annunciò che nella kilonova sarebbe presente lo stronzio. Tale elemento si formò in grandi quantità nella prima fase della fusione delle stelle di neutroni. In questo caso fu sintetizzato in quantità pari a circa 5 volte la massa del Sole.

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Spazio, Astronomia
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