Nuova luce sull’origine degli elementi pesanti

Fu molto probabilmente una fusione di due stelle di neutroni l’ultimo, catastrofico, evento ad aver arricchito di elementi pesanti la nube da cui nacque il nostro Sistema Solare

Gli elementi pesanti con cui abbiamo familiarita’ nella nostra vita quotidiana, come oro e argento, non esistevano alle origini dell’universo, 13.7 miliardi di anni fa. Sono stati bensi’ formati nel tempo attraverso catene di reazioni nucleari (processi noti collettivamente col nome di “nucleosintesi”) all’interno delle stelle e di fenomeni esplosivi di varia natura. In particolare, elementi come iodio, oro, platino, uranio e curio sono stati creati da un tipo specifico di nucleosintesi chiamato processo di cattura rapida dei neutroni, o “processo r” (dove la “r” sta per la parola inglese “rapid”). Tale processo necessita di fenomeni esplosivi, come la fusione di due stelle di neutroni in un sistema binario, in grado di generare altissime densita’ di neutroni, dell’ordine di mille miliardi di miliardi di neutroni per centimentro cubo. In questo modo, i neutroni vengono incorporati in gran quantita’ dai nuclei degli atomi nell’arco di una frazione di secondo, per poi decadere in protoni. Poiché gli elementi nella tavola periodica sono definiti dal numero di protoni nel loro nucleo, il processo r forma cosi’ nuclei più pesanti man mano che i neutroni vengono catturati. Inoltre, grazie alla rapidita’ del processo, in contrasto col piu’ lento “processo s” in atto nelle stelle di piccola massa e responsabile dell’altra meta’ degli elementi piu’ pesanti del ferro, riesce a sintetizzare anche gli elementi “virtualmente” stabili piu’ pesanti conosciuti, come uranio e torio, bypassando i vari elementi instabili piu’ pesanti di piombo e bismuto.

Quali eventi astronomici possono produrre gli elementi piu` pesanti della tavola periodica?

Questa domanda è stata al centro dei dibattiti per decenni. In uno studio pubblicato a Settembre 2020 sull’ “Astrophysical Journal” (titolo e dettagli nelle fonti a fine articolo), Chiaki Kobayashi e collaboratrici dimostrarono come, nell’univero odierno, il “processo r” avvenga soprattutto nelle kilonovae, ovvero le esplosioni generate dalla fusione di due stelle di neutroni. Tale conclusione e’ stata poi sostanzialmente confermata esattamente una settimana fa, con uno studio pubblicato su “Science” da Benoit Cote’ e collaboratori. Alcuni dei nuclei atomici prodotti dal processo r sono radioattivi e impiegano milioni di anni per decadere in nuclei stabili. Lo iodio-129 e il curio-247 sono due di questi nuclei prodotti prima della formazione del Sole, quando poi sono stati incorporati in corpi rocciosi che alla fine sono caduti sulla superficie terrestre come meteoriti. Perché questi due nuclei atomici prodotti dal processo r sono così speciali? Hanno una proprietà peculiare in comune: decadono quasi esattamente alla stessa velocità. In altre parole, il rapporto tra iodio-129 e curio-247 non è cambiato dalla loro formazione, miliardi di anni fa.

Si tratta di una coincidenza sorprendente, in particolare dato che questi nuclei sono due dei soli cinque nuclei radioattivi del processo r che possono essere misurati nei meteoriti. Con il rapporto tra iodio 129 e curio-247 congelato nel tempo, come un fossile preistorico, possiamo dare uno sguardo diretto all’ultima ondata di produzione di elementi pesanti che ha costruito la composizione del Sistema Solare e tutto ciò che contiene, incluso il nostro pianeta. Lo iodio, con i suoi 53 protoni, si crea più facilmente del curio con i suoi 96 protoni. Questo perché sono necessarie più reazioni di cattura dei neutroni per raggiungere il maggior numero di protoni del curio. Di conseguenza, il rapporto tra iodio 129 e curio 247 dipende fortemente dalla quantità di neutroni disponibili durante la loro formazione. Il team ha dunque calcolato i rapporti tra iodio-129 e curio-247 sintetizzati da vari fenomeni astronomici attraverso dettagliate simulazioni numeriche. Il risultato e’ stato che, molto porbabilmente, l’evento responsabile della loro produzione e’ stata la fusione di due stelle di neutroni in un sistema binario, avvenuta nelle vicinanze della nube da cui si sarebbe formato il Sole. Ma come facciamo ad essere sicuri che tale evento sia avvenuto appena prima della nascita del Sistema Solare? Semplice, si tratta di una conseguenza del tempo di decadimento medio di questi due nuclei atomici, che e’ di 15.6 milioni di anni. Tale tempo di decadimento e’ troppo breve per ammettere che tali elementi si siano formati in tempi eccessivamente remoti, altrimenti oggi sarebbero del tutto decaduti e non potremmo osservarli! Anzi, tale dato suggeirebbe che una fusione di stelle di neutroni possa essere stata, con alta probabilita’, l’ultimo evento astronomico ad aver arricchito la materia del nostro Sistema Solare di elementi piu’ pesanti del ferro, come appunto iodio, stronzio, xenon, oro, curio, uranio e molti altri.

In conclusione…

Se sentite/leggete qualcuno dire “tutti gli elementi piu’ pesanti del ferro sono stati creati dalle supernovae” sorridetegli, salutatelo e andate a denunciarlo per vilipendio alla figura di Margaret Burbidge raccomandando la giusta pena. Come avete visto, la materia e’ molto piu’ complessa, e le supernovae producono ben poca roba oltre il ferro (giusto qualcosa nelle prime generazioni stellari, se la stella massiccia che le produce e’ dotata di un forte campo magnetico), dove la parte del leone sembra la facciano le fusioni di stelle di neutroni e le vecchie stelle AGB di massa addirittura comparabile a quella del nostro Sole, che mai esploderanno come supernovae.

Fonti:

Chiaki Kobayashi et al 2020 ApJ 900 179

Cote` et al.; Science 26 Feb 2021: Vol. 371, Issue 6532, pp. 945-948