Fusioni di stelle di neutroni e processo-r

Tra le dieci scoperte dell’ultimo decennio, alla POSIZIONE 2 troviamo la prima prova osservativa che le fusioni di stelle di neutroni producono oro, argento, platino, europio e tanti altri elementi pesanti!

L’origine di tutti gli elementi che conosciamo, dall’idrogeno, al carbonio su cui si basa la vita, all’ossigeno che respiriamo, al silicio nei computer/smartphone/tablet che state usando per leggere questo post, al ferro nel nostro sangue, al germanio, stronzio, ittrio, zirconio, bario, oro, argento, piombo, uranio… a partire da soli tre elementi leggeri (idrogeno, elio e litio) presenti nei minuti appena seguenti alla nascita dell’universo, rappresenta una delle domande aperte piu’ fondamentali a cui la fisica vuole rispondere. La disciplina che si prefigge tale obiettivo, prende il nome di “Astrofisica nucleare” branca nata nel 1957 a seguito del primo, pietra miliare, lavoro di Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William A. Fowler e Fred Hoyle (“Synthesis of the elements in stars” , Rev Mod. Phys. 29, 547–650 (1957) ).

La metà di tutti gli elementi dell’universo che sono più pesanti del ferro sono stati creati da catture di neutroni a catena, a partire da elementi del gruppo del ferro, in fenomeni esplosivi. Tali esplosioni sono capaci di generare un’altissima densita’ di neutroni (dell’ordine di mille miliardi di miliardi di neutroni per centimetro cubo!). La teoria alla base di questo processo nucleare e’ chiamata “processo-r”. Dove ciò possa accadere è ancora argomento di dibattito… c’e’ chi propone certi tipi particolari di supernovae, prodotte dall’esplosione di una stella con un’altissima velocita’ di rotazione e un fortissimo campo magnetico… chi qualsos’altro. Una prova inconfutabile sarebbe la scoperta di elementi pesanti appena sintetizzati in una di queste esplosioni, ovvero “cogliere sul fatto” la formazioni di nuovi elementi proprio mentre esse stanno avvenendo! I modelli esistenti e prove circostanziali indicavano le fusioni di stelle di neutroni come un probabile sito del processo-r.

La kilonova AT2017gfo

L’emissione transitoria nell’ottico/infrarosso, nota come “kilonova”, nei giorni successivi alla fusione di due stelle di neutroni e’ un luogo in cui e’ molto probabile rilevare le “firme spettrali” degli elementi pesanti appena formati da catture di neutroni. La kilonova AT2017gfo (figura 1), che è stata scoperta in seguito al segnale di onde gravitazionali GW170817 (generato dalla fusione di due stelle di neutroni nella galassia NGC 4993 nella costellazione dell’Idra), è stata la prima kilonova per il quale sono stati registrati spettri dettagliati. Quando l’analisi di questi spettri fu pubblicata per la prima volta, si sostenne che fossero sostanzialmente coerenti col decadimento di elementi pesanti radioattivi APPENA FORMATI durante l’esplosione. Tuttavia, non è stato possibile identificare in modo robusto alcun elemento.

Ma il 23/10/2019, fu riportata l’identificazione INCONFUTABILE dello stronzio!! Elemento piu’ pesante del ferro, formato proprio da successive catture di neutroni, grazie a una attenta rianalisi di questi spettri. Il rilevamento di un elemento da cattura di neutroni associato alla collisione di due stelle a densità estrema STABILI’ l’origine di buona parte degli elementi pesanti, inclusi quelli presenti nella nebulosa che genero’ il nostro Sistema Solare, proprio nelle fusioni di stelle di neutroni… e non solo! Mostro’ anche qualcosa che fino ad oggi era data per scontata, ma che in effetti non aveva ancora alcuna prova osservativa diretta… ovvero che le stelle di neutroni sono fatte di materia ricca di… neutroni.

Fonti:

Watson et al., Nature volume 574, pages 497–500 (2019)

Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William A. Fowler e Fred Hoyle; “Synthesis of the elements in stars” , Rev. Mod. Phys. 29, 547-650 (1957)