Lady Stardust: la donna che svelo’ l’origine cosmica degli elementi

La professoressa Margaret Burbidge, pioniera dell’astrofisica nucleare, svelo’ l’origine degli elementi nelle stelle.

Se oggi parliamo dell’origine degli elementi nelle stelle con un discreto livello di confidenza, seppur con ancora una lunghissima lista di risposte aperte, lo dobbiamo a qualcuno che piu’ di 60 anni fa ha gettato quelle che poi sono diventate le basi dell’Astrofisica Nucleare, ovvero la branca dell’astrofisica che applica le leggi della fisica nucleare agli ambienti stellari. Questo qualcuno ha un nome e un cognome: Eleanor Margaret Burbidge. Grandissima donna e scienziata, scomparsa appena quattro mesi fa, il 5 Aprile 2020.

Il mistero dell’origine degli elementi

L’uomo abita un universo composto da una grande varietà di elementi e dei loro rispettivi isotopi. Novanta elementi sono ad oggi stati identificati sul nostro pianeta, ognuno dei quali si presenta naturalmente in media sotto forma di tre isotopi (nuclei atomici con lo stesso numero di protoni nel nucleo, quindi appartenenti allo stesso elemento, ma diverso numero di neutroni) stabili, per un totale di quasi 280 isotopi stabili e quasi 60 radioattivi. Gia` a partire dall’inizio degli anni 30 del secolo scorso, la ricerca in fisica nucleare ha dimostrato che tutti i nuclei sono costituiti da due elementi costitutivi fondamentali: il protone e il neutrone. Nella grande maggioranza delle condizioni di temperatura e densita’ della materia nelle stelle, tutti i processi nucleari possono essere descritti come un mescolamento continuo di protoni e neutroni, i quali collidendo tra di loro possono dare origine a reazioni chiamate “reazioni nucleari”. Tramite queste reazioni, protoni e neutroni possono assemblarsi per formare nuclei atomici via via piu’ pesanti, oppure disintegrare questi nuclei appena formati per generarne di piu’ leggeri, fino a formare l’impressionante varieta’ chimica della natura che oggi osserviamo.

Tenendo presente questa immagine relativamente semplice della struttura e delle interazioni dei nuclei atomici, è naturale tentare di spiegare la loro origine mediante un accumulo a partire dall’uno o dall’altro o da entrambi i mattoni fondamentali. Negli anni 50 infatti la comunita’ scientifica si poneva la seguente domanda: qual è stata la storia della materia che ha prodotto gli elementi e gli isotopi nella distribuzione dell’abbondanza che oggi osserviamo? Oggi, da come si puo’ vedere nel grafico, sappiamo che la materia di cui e` composto il nostro Sistema Solare non e’ omogeneamente distribuita tra tutti i suoi elementi. Al contrario, ci sono elementi molto piu’ abbondanti di altri, come idrogeno, elio, carbonio, ossigeno, azoto,magnesio, silicio, zolfo, ferro… Di questi, i primi due da soli costituiscono circa il 98% della materia del nostro Sistema Solare, mentre gli altri sette combinati insieme contribuiscono per circa un ulteriore 1%. Sembra poco, ma non lo e’ per due ragioni:

1. Senza questi (e altri) sette elementi la vita come la conosciamo non sarebbe possibile
2. “Poco” e’ un termine molto relativo, infatti…

…vi sono altri ottanta elementi in piu`, che sommati insieme costituiscono il rimanente 1% della materia della Via Lattea.

Prime teorie e lo studio “B2FH”

Qualsiasi teoria completamente soddisfacente della formazione degli elementi deve essere in grado di spiegare in grande dettaglio tutte le caratteristiche delle diverse abbondanze degi elementi che abbiamo appena menzionato. Negli anni 50, delle teorie fino ad allora sviluppate, tre presumevano che gli elementi fossero stati costruiti in uno stato primordiale dell’universo. Tuttavia, nessuna di queste teorie riusciva a spiegare le abbondaze osservate. Una quarta idea aveva pero’ iniziato a farsi strada, ovvero l’origine degli elementi all’interno delle stelle, le quali avrebbero arrichito la materia dell’universo di elementi nuovi a partire da pochi presenti in origine, generazione dopo generazione stellare… Questa idea aveva mosso i primi passi grazie a scienziati come Sir Arthur Eddingon, Hans Bethe e Fred Hoyle, ma fu portata al compimento finale grazie a un lavoro monumentale, una pietra miliare datata 1957 e intitolata “Synthesis of the Elements in Stars” (“La formazione degli Elementi nelle Stelle” in italiano), pubblicata sulla prestigiosa “Reviews of Modern Physics” e a prima firma, appunto, di Eleanor Margaret Burbidge. Le iniziali dei cognomi dei quattro autori di questo immenso lavoro di ricerca, che di fatto sanci’ la nascita dell’Astrofisica Nucleare come nuova branca scientifica, ovvero Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Alfred Fowler e Fred Hoyle, resero questo articolo famoso in tutto il modo come l’ articolo “B2FH”.

In questo lavoro, per la prima volta l’intera gamma degli elementi venne analizzata, e venne dimostrato in modo rigoroso come ogni singola abbondanza chimica osservata nel nostro Sistema Solare sia riconducibile a una precisa tipologia di sorgente stellare. Non solo, per la prima volta nella storia venne fornita una teoria solida (e successivamente verificata da robuste prove osservative) riguardo l’origine degli elementi piu` pesanti del ferro. Hans Bethe e Fred Hoyle avevano infatti gia’ con successo spiegato come le reazioni nucleari nelle stelle siano in grado di formare la quasi totalita’ degli elementi tra l’idrogeno e in ferro, ma li’ si erano fermati. Il contributo di Margaret Burbidge fu fondamentale per espandere la teoria dell’origine stellare degli elementi oltre il ferro, identificando tre processi fondamentali che battezzo’ slow-process (s-process), rapid-process (r-process) e p-process. Mente l’ultimo di questi, il p-process, spiega l’origine di solo una piccola (seppur interessantissima!!) classe di 30 isotopi nel Sistema Solare (che sommati insieme danno meno del 0.01% di tutta la materia in esso contenuta), gli altri due spiegano ciasuno circa meta’ degli elementi piu’ pesanti del ferro. Nel dettaglio, sono processi in cui una grande quantita’ di neutroni vengono prodotti all’interno di una stella, per poi essere montati insieme su nuclei di ferro (formati in epoche antecedenti da passate generazioni stellari) come mattoncini lego, formando tutti gli elementi stabili conosciuti fino all’uranio. Si tratto’ di un fenomenale lampo di genio di Margaret Burbidge e colleghi. Infatti, in quanto i neutroni sono privi di carica elettrica, non risentono della repulsione coulombiana dei nuclei come piu’ pesanti del ferro, i quali presentano 26 o piu’ protoni nel nucleo. Dato che cariche dello stesso segno tendono a respingersi con forza via via maggiore all’aumentare della carica, una reazione nucleare con un altro protone diviene quindi molto difficile, non per un neutrone.

Le fucine stellari degli elementi chimici

Burbidge e colleghi dimostrarorno come le stelle di piccola massa, una volta invecchiate e diventate luminose giganti rosse note come “stelle AGB”, producano una notevole quantita’ di carbonio e neon nelle loro fasi piu’ avanzate, in particolare nella forma degli isotopi carbonio-13 e neon-22. Questi due isotopi, a temperature tra i 100 e I 300 milioni di gradi, reagiscono con l’abbondante elio negli interni di queste stelle, rilasciando una grande quantita’ di neutroni. Questi neutroni vengono poi “lentamente“ (da qui l’appelativo “slow-process”) catturati dai nuclei atomici di ferro presenti nella stella, che nell’arco di circa una decina di migliaia di anni vengono tramutati in elementi piu’ pesanti, come rubidio, zirconio, bario e piombo per citarne alcuni. Il processo-r, invece, avviene in condizioni molto piu’ “rapide” ed esplosive, come la fusione di due stelle di neutroni. In questo tipo di eventi, le altissime temperature in gioco, che sfiorano la decina di miliardi di gradi, rendono le reazioni nucleari estremamente rapide, causando un rilascio di neutroni cosi` efficiente da generare incredibilli densita’, dell’ordine di migliaia di miliardi di miliardi di neutroni per centimentro cubo!! Queste condizioni rendono le catture di neutroni molto veloci e in grado di sintetizzare elementi molto pesanti come europio, oro e uranio per citare i piu’ importanti. Burbidge e colleghi teorizzarono questi processi, che poi trovarono delle grandiose conferme osservtive. Il tecnezio era stato infatti osservato, sulla superfice di stelle AGB, e il fatto che esso non abbia alcun isotopo stabile (il Tecnezio-99, tra i piu’ longevi, ha un tempo di vita media inferiore al milione di anni) rendeva impossibile che fosse gia’ presente al momento della formazione di quelle stelle miliardi di anni prima, dovendo quindi necessariamente essere stato formato nell’interno dalle stesse stelle AGB e poi trasportato dai vorticosi moti convettivi in superfice. Infine, dall’analisi della luce emessa dalla grandiosa kilonova GW170817, originata dalla fusione di due stelle di neutroni, si e’ trovata per la prima volta la traccia di elementi piu’ pesanti del ferro, come lo stronzio, appena formati durante l’immane esplosione stellare, confermando che quanto Margaret Burbidge e soci avevano predetto 60 anni prima riguardo l’esistenza del processo-r era vero.

A questo proposito, faccio notare come sia molto comune tra gli appassionati di astronomia un equivoco riguardo l’origine degli elementi nelle stelle. Non sono pochi infatti i siti e libri divulgativi in cui si afferma che le supernovae siano, da sole, le responsabili di tutto l’inventario di elementi oltre il ferro. Ebbene, NON E` COSI`. Come abbiamo appena visto, una fetta sostanziosa di tali elementi, circa la meta’, e’ formato nelle fasi evolutive avanzate di stelle di massa piccola/intermedia, soprattutto tra due e tre volte la massa del Sole (che NON esplodono come supernova) grazie al process-s. Affermare il contrario non e’ soltanto una mera eccessiva semplificazione, ma anche ignorare gli ultimi, preziosissimi, 60 anni di ricerca astrofisica, iniziati grazie a cienziati come Margaret Burbidge, donna geniale e tenace. Si, perche’ tutto questo enorme lavoro venne fatto in un periodo in cui essere donne e scienziate non era affatto scontato, per non dire osteggiato. La professoressa Burbidge dovette financo lottare non solo per avere acesso ai telescopi, ma anche per poterli usare per un tempo abbastanza lungo per ottenere i dati osservativi necessari alla validazione delle sue teorie, il tutto in quanto donna. Ma per nostra fortuna certe donne e uomini, che hanno spinto cosi’ avanti la conoscenza umana della natura e dell’universo, erano esseri umani disposti a tutto, pur di soddisfare e nutrire la loro curiosita’ riguardo il cielo e le stelle sopra di noi.

Fonti:

• Burbidge, E. M.; Burbidge, G. R.; Fowler, W.A.; Hoyle, F. (1957). “Synthesis of the Elements in Stars” . Reviews of Modern Physics. 29 (4): 547–650.
• Watson et al.; 2019. Nature; Vol 574