Elementi pesanti, l’origine nei meteoriti

Tutti gli elementi pesanti sono nati attraverso la nucleosintesi che combina gli atomi. In particolare, iodio, oro, platino, uranio, plutonio e curio, alcuni degli elementi più pesanti presenti nella tavola periodica, sono nati da un tipo specifico di nucleosintesi chiamato processo di cattura rapida dei neutroni o processo r

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Da dove vengono gli elementi pesanti della tavola periodica? Per scoprirlo, un team di ricercatori internazionali ha studiato la formazione e la nascita del sistema solare tornando a ritroso nel tempo di 4,6 miliardi di anni, quando il Sole e i pianeti erano solo una gigantesca nube di polveri e gas che orbitava attorno al nucleo della Via Lattea.

Il team, composto da ricercatori che collaborano con l’International Research Network for Nuclear Astrophysics (IReNA) e con il Joint Institute for Nuclear Astrophysics — Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) ha pubblicato lo studio nell’ultimo numero della rivista Science.

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Gli elementi pesanti come ad esempio il ferro, l’argento, il rame o l’oro fanno parte della nostra vita quotidiana ma non esistevano 13,7 miliardi di anni fa, quando l’universo è emerso dal vuoto.

Tutti gli elementi pesanti sono nati attraverso la nucleosintesi che combina gli atomi. In particolare, iodio, oro, platino, uranio, plutonio e curio, alcuni degli elementi più pesanti presenti nella tavola periodica, sono nati da un tipo specifico di nucleosintesi chiamato processo di cattura rapida dei neutroni o processo r.

Gli eventi astronomici responsabili della nascita degli elementi pesanti sono stati un mistero per decenni. Oggi si ritiene che il processo r possa verificarsi durante violente collisioni tra due stelle di neutroni, tra una stella di neutroni e un buco nero, o durante rare esplosioni successive alla morte di stelle massicce.

Questi eventi ad altissima energia si verificano molto raramente nell’universo. Quando accadono, i neutroni vengono catturati dai nucleo degli atomi, quindi convertiti in protoni. Poiché gli elementi nella tavola periodica sono definiti dal numero di protoni nel loro nucleo, il processo r crea nuclei più pesanti man mano che vengono catturati più neutroni.

Alcuni dei nuclei 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. Sono finiti dentro rocce che alla fine sono cadute sulla superficie terrestre come meteoriti.

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All’interno di questi meteoriti, il decadimento radioattivo ha generato un eccesso di nuclei stabili. Oggi, questo eccesso può essere misurato per calcolare la quantità di iodio-129 e curio-247 presenti nel sistema solare poco prima della sua formazione.

Perché questi due nuclei ottenuti attraverso il processo r sono importanti? Perché possiedono una proprietà peculiare: decadono quasi esattamente alla stessa velocità. In altre parole, il rapporto tra iodio-129 e curio-247 non è cambiato dalla loro nascita, avvenuta miliardi di anni fa.

“Questa è una coincidenza sorprendente, in particolare dato che questi nuclei sono due dei soli cinque nuclei del processo r radioattivo che possono essere misurati nei meteoriti”, afferma Benoit dall’Osservatorio Konkoly che aggiunge:

“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”.

Lo iodio, che contiene 53 protoni nel nucleo, viene prodotto più facilmente del curio che invece di protoni ne ha 96. Questo perché sono necessarie più reazioni r per raggiungere il numero di protoni del curio. Di conseguenza, il rapporto tra iodio 129 e curio 247 dipende dalla quantità di neutroni disponibili durante la loro formazione.

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Il team ha calcolato i rapporti tra iodio-129 e curio-247 sintetizzati dalle collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri per trovare l’insieme di condizioni che riproducono la composizione dei meteoriti.

Sono giunti alla conclusione che la quantità di neutroni disponibile durante l’ultimo evento del processo r prima della nascita del sistema solare non poteva essere troppo alta, altrimenti, si sarebbe sintetizzato troppo curio rispetto allo iodio. Ciò significa che sorgenti molto ricche di neutroni, come la materia strappata dalla superficie di una stella di neutroni durante una collisione, probabilmente non hanno avuto un ruolo primario.

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Quali eventi hanno prodotto gli elementi pesanti?

Allora cosa ha creato questi nuclei del processo r ? Sebbene i ricercatori possono fornire informazioni nuove e approfondite su come sono nati gli elementi pesanti, non sono stati in grado di capire quale oggetto astronomico li ha creati.

Questo perché i modelli di nucleosintesi si basano su proprietà nucleari incerte e non è ancora chiaro come collegare la disponibilità di neutroni a specifici oggetti astronomici come massicce esplosioni di stelle e stelle di neutroni in collisione.

Tuttavia, il rapporto iodio-129 / curio-247 ci permetterà di scrutare con più precisione la natura fondamentale della nucleosintesi degli elementi pesanti.

Con questo nuovo strumento diagnostico, i progressi nella fedeltà delle simulazioni astrofisiche e nella comprensione delle proprietà nucleari potrebbero dirci in futuro quali oggetti astronomici hanno contribuito alla nascita degli elementi più pesanti del sistema solare.