Da dove viene l’oro? I buchi neri potrebbero produrre oro

Come vengono prodotti gli elementi chimici nel nostro Universo? Da dove vengono gli elementi pesanti come l’oro e l’uranio?

Utilizzando simulazioni al computer, un gruppo di ricerca del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt, insieme a colleghi belgi e giapponesi, mostra che la sintesi di elementi pesanti è tipica di alcuni buchi neri con accumuli di materia orbitanti, i cosiddetti dischi di accrescimento.

L’abbondanza prevista degli elementi formati fornisce informazioni su quali elementi pesanti devono essere studiati nei futuri laboratori, come la Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), che è attualmente in costruzione, per svelare l’origine degli elementi pesanti. I risultati sono pubblicati sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society.

I buchi neri sono responsabili di elementi pesanti come oro e uranio

Tutti gli elementi pesanti sulla Terra oggi si sono formati in condizioni estreme in ambienti astrofisici: all’interno delle stelle, nelle esplosioni stellari e durante la collisione di stelle di neutroni. I ricercatori sono incuriositi dalla domanda in quale di questi eventi astrofisici esistano le condizioni appropriate per la formazione degli elementi più pesanti, come l’oro o l’uranio.

La spettacolare prima osservazione delle onde gravitazionali e delle radiazioni elettromagnetiche originate da una fusione di stelle di neutroni nel 2017 ha suggerito che molti elementi pesanti possono essere prodotti e rilasciati in queste collisioni cosmiche. Tuttavia, rimane aperta la domanda su quando e perché il materiale viene espulso e se ci possono essere altri scenari in cui possono essere prodotti elementi pesanti.

Candidati promettenti per la produzione di elementi pesanti sono i buchi neri orbitati da un disco di accrescimento di materia densa e calda. Un tale sistema si forma sia dopo la fusione di due stelle di neutroni massicce sia durante un cosiddetto collapsar, il collasso e la successiva esplosione di una stella rotante.

La composizione interna di tali dischi di accrescimento non è stata finora ben compresa, in particolare per quanto riguarda le condizioni in cui si forma un eccesso di neutroni. Un numero elevato di neutroni è un requisito fondamentale per la sintesi di elementi pesanti, poiché consente il processo di cattura rapida dei neutroni o processo r. I neutrini quasi privi di massa svolgono un ruolo chiave in questo processo, poiché consentono la conversione tra protoni e neutroni.

“Nel nostro studio, abbiamo studiato sistematicamente per la prima volta i tassi di conversione di neutroni e protoni per un gran numero di configurazioni di dischi mediante elaborate simulazioni al computer, e abbiamo scoperto che i dischi sono molto ricchi di neutroni fintanto che vengono soddisfatte determinate condizioni”, ha spiegato il dott. Oliver Just del gruppo di astrofisica relativistica della divisione di ricerca Theory del GSI.

“Il fattore decisivo è la massa totale del disco. Più il disco è massiccio, più spesso i neutroni si formano da protoni per cattura di elettroni sotto emissione di neutrini, e sono disponibili per la sintesi di elementi pesanti mediante il processo r. Tuttavia, se la massa del disco è troppo alta, la reazione inversa gioca un ruolo maggiore in modo che più neutrini vengano catturati dai neutroni prima che lascino il disco. Questi neutroni vengono quindi riconvertiti in protoni, il che ostacola il processo r.”

Come mostra lo studio, il disco ottimale massa per la produzione prolifica di elementi pesanti è di circa 0,01 a 0,1 masse solari. Il risultato fornisce una forte evidenza che le fusioni di stelle di neutroni che producono dischi di accrescimento con queste esatte masse potrebbero essere il punto di origine per una grande frazione degli elementi pesanti. Tuttavia, al momento non è chiaro se e con quale frequenza tali dischi di accrescimento si verificano nei sistemi collapsar.

Oltre ai possibili processi di espulsione di massa, il gruppo di ricerca guidato dal Dr. Andreas Bauswein sta studiando anche i segnali luminosi generati dalla materia espulsa, che verranno utilizzati per dedurre la massa e la composizione della materia espulsa in future osservazioni di collisione di stelle di neutroni. Un elemento importante per la corretta lettura di questi segnali luminosi è la conoscenza accurata delle masse e di altre proprietà degli elementi appena formati.

“Questi dati sono attualmente insufficienti. Ma con la prossima generazione di acceleratori, come FAIR, sarà possibile misurarli con una precisione senza precedenti in futuro. L’interazione ben coordinata di modelli teorici, esperimenti e osservazioni astronomiche ci consentirà nei prossimi anni di testare neutroni e fusioni stellari come origine degli elementi del processo r”, prevede Bauswein.