Da dove viene l’oro del nostro universo?

Stelle con massa inferiore a otto masse solari producono carbonio, azoto, fluoro e circa la metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro. Stelle più massicce di otto masse solari producono la maggior parte dell'ossigeno e del calcio necessari per la vita, così come la maggior parte del resto degli elementi tra carbonio e ferro

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Quando gli scienziati hanno osservato lo scontro titanico tra due stelle di neutroni avvenuto nel 2017, è stata confermata una vecchia teoria: nell’immane scontro vengono forgiati tutti gli elementi più pesanti del ferro. Questa teoria ci ha permesso di capire come gli elementi pesanti compreso l’oro si siano sparsi in tutto l’universo. Tuttavia un nuovo studio ha rilevato un problema. Secondo i nuovi modelli di evoluzione chimica galattica, le collisioni di stelle di neutroni non sembrano essere sufficienti per spiegare l’abbondanza di elementi pesanti presenti nella nostra galassia.
Come ha spiegato l’astrofisica Amanda Karakas della Monash University e dell’ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 dimensioni (ASTRO 3D) in Australia: “Le fusioni di stelle di neutroni non hanno prodotto abbastanza elementi pesanti all’inizio della vita dell’Universo, e ancora non lo fanno ora, 14 miliardi di anni dopo. L’Universo non li ha resi abbastanza veloci da spiegare la loro presenza in stelle molto antiche e, nel complesso, semplicemente non ci sono abbastanza collisioni per spiegare l’abbondanza di questi elementi oggi”.
Le stelle sono le fucine che producono la maggior parte degli elementi nell’universo. Nell’Universo primordiale, dopo che la zuppa di quark si è raffreddata abbastanza, si è formata la materia che, all’epoca, era principalmente costituita da idrogeno ed elio, che sono ancora oggi i due elementi più abbondanti nell’Universo.
Le prime stelle si sono formate quando la gravità ha fatto collassare immense nubi di idrogeno ed elio. All’interno dei nuclei stellari neonati sono stati forgiati oltre all’elio gli elementi via via più pesanti come il carbonio, l’azoto, l’ossigeno fino al ferro. Lo stesso ferro può fondersi, ma richiede più energia di quella prodotta dalla sua stessa fusione, quindi il ferro è l’elemento ultimo a formarsi nei nuclei delle stelle.
Come ha spiegato Karakas: “Possiamo pensare alle stelle come a gigantesche pentole a pressione in cui vengono creati nuovi elementi. Le reazioni che rendono questi elementi forniscono anche l’energia che mantiene le stelle brillanti per miliardi di anni. Man mano che le stelle invecchiano, producono elementi sempre più pesanti quando il loro interno si riscalda“.
Per creare elementi più pesanti del ferro, come l’oro, l’argento, il torio e l’uranio, è necessario il processo di cattura rapida dei neutroni, detto processo r. Ciò può avvenire in esplosioni veramente energetiche, che generano una serie di reazioni nucleari in cui i nuclei atomici si scontrano con i neutroni sintetizzando elementi più pesanti del ferro. Questo processo deve avvenire molto rapidamente, in modo che il decadimento radioattivo non abbia il tempo di verificarsi prima che altri neutroni vengano aggiunti al nucleo.
Ora sappiamo che l’esplosione della kilonova generata dalla collisione di una stella di neutroni è un ambiente sufficientemente energetico per garantire il processo r. Questo non è in discussione. Ma, per produrre le quantità di questi elementi più pesanti che osserviamo, avremmo bisogno di una frequenza minima di collisioni tra stelle di neutroni. Per capire le fonti di questi elementi, i ricercatori hanno costruito modelli di evoluzione chimica galattica per tutti gli elementi stabili dal carbonio all’uranio, utilizzando le osservazioni astrofisiche più aggiornate e le abbondanze chimiche disponibili nella Via Lattea. Includendo i rendimenti teorici della nucleosintesi e i tassi di eventi.
Il loro lavoro è stato poi disposto in una tavola periodica che mostra le origini degli elementi che hanno modellato e, tra le loro scoperte, hanno trovato che mancava la frequenza di collisione delle stelle di neutroni, dall’Universo primordiale ad oggi. Per questo ritengono che un tipo di supernova potrebbe essere responsabile dell’abbondanza di elementi nel cosmo. Questi oggetti sono chiamati supernovae magnetorotazionali e si verificano quando il nucleo di una stella massiccia, in rapida rotazione, con un forte campo magnetico collassa. Si pensa anche che questi siano abbastanza energici perché il processo r abbia luogo. Se una piccola percentuale di stelle supernove tra 25 e 50 masse solari è magnetorotazionale, potrebbe fare la differenza.
Come ha aggiunto Karakas: “Anche le stime più ottimistiche della frequenza di collisione delle stelle di neutroni semplicemente non possono spiegare l’enorme abbondanza di questi elementi nell’universo. Questa è stata una sorpresa. Sembra che le supernove rotanti con forti campi magnetici siano la vera fonte della maggior parte di questi elementi“.
Ricerche precedenti hanno scoperto che un tipo di supernova denominata “collapsar” è capace di produrre elementi pesanti. Questo accade quando una stella in rapida rotazione con oltre 30 masse solari diventa una supernova prima di collassare in un buco nero. Si pensa che questi siano molto più rarr delle collisioni con stelle di neutroni, ma potrebbero essere un fattore importante per spiegare l’abbondanza di elementi pesanti: coincidono perfettamente con le altre scoperte del team.
Il team ha scoperto che stelle con massa inferiore a otto masse solari producono carbonio, azoto, fluoro e circa la metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro. Stelle più massicce di otto masse solari producono la maggior parte dell’ossigeno e del calcio necessari per la vita, così come la maggior parte del resto degli elementi tra carbonio e ferro.
Come ha spiegato l’astrofisico Chiaki Kobayashi dell’Università dell’Hertfordshire nel Regno Unito: “A parte l’idrogeno, non esiste un singolo elemento che possa essere formato da un solo tipo di stella. Metà del carbonio è prodotto da stelle morenti di piccola massa, ma l’altra metà proviene da supernove. E metà del ferro proviene da normali supernove di stelle massicce, ma l’altra metà necessita di un’altra forma, nota come supernova di tipo Ia. Queste sono prodotte in sistemi binari di stelle di piccola massa“.
Ciò non significa necessariamente che lo 0,3% stimato dell’oro e del platino della Terra risalenti a una collisione di stelle di neutroni avvenuta 4,6 miliardi di anni fa abbia una storia di origine diversa. Non è solo necessariamente l’intera storia. Ma rileviamo onde gravitazionali solo da cinque anni. Con il miglioramento delle nostre apparecchiature e tecniche, potrebbe essere che le collisioni tra stelle di neutroni siano molto più frequenti di quanto riteniamo. Inoltre i modelli dei ricercatori hanno rivelato più argento di quanto osservato e meno oro. Ciò suggerisce che qualcosa deve essere ottimizzato. Forse sono i calcoli. O forse ci sono alcuni aspetti della nucleosintesi stellare che dobbiamo ancora capire.
La ricerca è stata pubblicata su The Astrophysical Journal .
Fonte: Science Alert