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La sintesi della prima materia dell’universo

L'universo non ha sintetizzato tutti gli elementi contemporaneamente. Nei primissimi momenti esistevano solamente particelle elementari come quark, elettroni e altre particelle

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Il filosofo greco Democrito quasi 2500 anni fa fu il primo a immaginare che gli oggetti fossero fatti di elementi che chiamò “atomos” o atomi che significa indivisibile. Dopo oltre due millenni, circa 200 anni fa, il chimico e fisico inglese John Dalton, propose la moderna concezione degli atomi.

In seguito altri identificarono vari tipi di atomi. Nel XIX secolo con lo sviluppo della spettroscopia altri fisici hanno scoprirono l’esistenza di elementi e molecole ciascuno con la propria firma spettrale.

Verso la metà del XIX secolo, i ricercatori iniziarono a classificare gli elementi presenti sulla Terra, e gli astronomi dotarono i loro telescopi di spettroscopi per scoprire di cosa sono fatte le stelle, le galassie e i pianeti.

Il Sole fu uno dei primi oggetti del cielo ad essere studiato con uno spettroscopio. Durante un’eclisse gli astronomi trovarono una misteriosa linea spettrale che non corrispondeva a nessun elemento ancora conosciuto sulla Terra. La sostanza venne chiamata elio, dalla  parola greca Helios, che significa Sole.

In seguito venne studiata la luce delle stelle, delle nebulose planetarie e di molti altri corpi celesti. Oggi sappiamo  che alcuni elementi comuni trovati sulla Terra sono esistiti per quasi tutta la vita dell’universo, creati nei i primi minuti di vita dell’universo attraverso il processo di nucleosintesi avvenuto con il Big Bang.

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L’universo non sintetizzò tutti gli elementi contemporaneamente. Nei primissimi momenti esistevano solamente particelle elementari come quark, elettroni e altre particelle. Pochi milionesimi di secondo dopo la sua nascita, l’universo sintetizzò protoni (idrogeno) e neutroni mentre si espandeva e si raffreddava molto velocemente.

Subito dopo la formazione dell’idrogeno, furono sintetizzati un paio di elementi più pesanti. Ma questo processo non iniziò davvero fino a quando l’universo non raggiunse un’età di 10 secondi. Il processo di nucleosintesi durò circa 20 minuti.

La densità dell’universo in quell’epoca era incredibilmente bassa, circa 100.000 volte meno densa dell’acqua liquida. Come mai sulla Terra ad esempio, con una densità più elevata non avviene la nuicleosintesi? Il motivo è che la temperatura che nell’universo primordiale era di circa 1 miliardo di kelvin. Pertanto, i primi atomi di idrogeno si muovevano così rapidamente che spesso si scontravano con una grande energia, che consentiva loro di fondersi in atomi di elio.

Nei primi 20 minuti di esistenza l’universo sintetizzò la maggior parte dell’elio che esiste oggi, così come il deuterio e una piccola quantità di litio. Dopo quei 20 minuti la temperatura ambiente dell’universo scese da da circa 1 miliardo di kelvin a circa 10 milioni di kelvin, la temperatura che si registra nei nuclei delle stelle, dove ancora oggi si verifica la nucleosintesi stellare. Il raffreddamento dell’universo interruppe la nucleosintesi.

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La materia dell’universo era composta in quel momento da idrogeno ed elio, che rappresentava il 25% circa del totale. Gli astronomi vogliono sapere con precisione quanta parte di elio e deuterio venne prodotta durante la la nucleosintesi del Big Bang. Conoscere questi valori esatti è la chiave per gli astronomi sia per confermare che per comprendere meglio il Modello standard che spiega la nascita dell’universo che comprende lo stesso Big Bang.

Il nucleo di un atomo di idrogeno contiene un protone. Ne esiste anche una versione più pesante, il deuterio, il cui nucleo contiene un protone è un neutrone. Quindi, sebbene il deuterio abbia la stessa carica dell’idrogeno, è circa due volte più pesante. Anche il deuterio è relativamente raro; sulla Terra, l’idrogeno è circa 7.000 volte più comune del deuterio. Ma una volta che il deuterio viene sintetizzato può continuare la produzione di elementi più pesanti come l’elio.

C’è più di un modo per sintetizzare l’elio. Un atomo di deuterio e un neutrone possono unirsi per creare il trizio. Aggiungendo quindi un altro protone alla miscela, si ottiene un atomo di elio-4 stabile. In alternativa, un atomo di deuterio e un protone possono unirsi per creare una versione “leggera” dell’elio chiamata elio-3, che ha due protoni e un neutrone. Con l’aggiunta di un altro neutrone, si ottiene l’elio-4.

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Uno dei più grandi successi della teoria del Big Bang è che spiega l’abbondanza di elio osservata. Il processo di nucleosintesi ha avuto inizio quando l’universo era abbastanza denso e caldo da fondere protoni e neutroni in nuclei atomici leggeri. Ma se il cosmo neonato fosse stato più denso, la nucleosintesi avrebbe potuto sintetizzare elementi ancora più pesanti.

Se invece il tasso di espansione dell’universo primordiale fosse stato più lento di quanto previsto dalla teoria, sarebbe rimasto in uno stato denso per un periodo di tempo più lungo, producendo più elementi leggeri. Se una di questi fattori, densità ed espansione – fosse diversa da quanto prevede la teoria del Big Bang, osserveremmo più elio di quanto ne vediamo oggi. L’elio primordiale quindi agisce come una delle tante firme che autenticano il certificato di nascita del cosmo.

I cosmologi possano calcolare le abbondanze specifiche di elementi prodotti durante la nucleosintesi del Big Bang, quindi confrontare quelle previsioni con i dati. Ma, naturalmente, ci si deve chiedere se i nostri dati catturano davvero un’istantanea delle abbondanze di elementi che esistevano poco dopo il Big Bang. La nucleosintesi stellare porta sicuramente a qualche contaminazione, ma esattamente quanto rimane una questione aperta e pressante.

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Fortunatamente, gli astronomi possono osservare l’abbondanza di elementi importanti in diversi modi. Il più deterministico è cercare il deuterio e l’elio. Questo viene fatto esaminando la loro prevalenza in grandi sacche di gas quiescente attorno ai quasar, le cui composizioni elementari si rivelano attraverso linee di assorbimento nei loro spettri. Poiché queste nubi di gas sono in gran parte prive di stelle, si prevede che abbiano sperimentato un’evoluzione stellare molto ridotta. Sono reliquie cosmiche antiche e relativamente incontaminate. E quando misurano l’abbondanza di deuterio ed elio in queste nuvole, gli astronomi scoprono di essere in linea con le previsione della teoria del Big Bang.

Questo è in gran parte visto come una conferma della storia dell’origine del nostro universo, così come dell’intero processo di nucleosintesi del Big Bang. Ma è anche un esempio di come l’astronomia permette agli scienziati di studiare i primissimi istanti dell’universo, il breve periodo di tempo in cui i primi elementi sono stati forgiati.