LO STUDIO SU THE ASTROPHYSICAL JOURNAL

Non è tutt’oro da stelle di neutroni

Le collisioni tra stelle di neutroni non sarebbero sufficienti a spiegare l’abbondanza di alcuni elementi chimici pesanti nell’universo, in particolare dell’oro. Lo sostiene un nuovo studio, suggerendo altri scenari e altri processi di nucleosintesi – quali per esempio un nuovo tipo di supernove che, collassando durante la rotazione ad alta velocità, generano forti campi magnetici

     18/09/2020
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Rappresentazione artistica che mostra due stelle di neutroni, piccole ma densissime, nel momento in cui stanno per fondersi ed esplodere come kilonova. Crediti: Eso/L.Calçada/M. Kornmesser

La collisione di due stelle di neutroni è ritenuta la sorgente primaria di formazione degli elementi più pesanti in natura e presenti nella tavola periodica, ideata dallo scienziato russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev 150 anni fa con l’intento di catalogare e sistematizzare in un elenco ordinato tutte le informazioni degli elementi chimici conosciuti presenti in natura. 

Questo assunto non sembra più così certo, stando a quanto ci dicono i risultati di uno studio – “The Origin of Elements from Carbon to Uranium” – pubblicato ieri su The Astrophysical Journal. Secondo gli autori, due stelle di neutroni che collidono non sarebbero in grado di creare la quantità di elementi chimici presenti in natura e finora ipotizzata dai modelli teorici. Lo studio porta alla luce un mistero: l’ammontare complessivo di oro nell’universo, i cui meccanismi di formazioni sono allo stato attuale attribuiti alla fusione di due stelle di neutroni – fusione che porta alla creazione di diversi elementi più pesanti del ferro, quali per esempio il rodio, lo xeno, il torio, l’uranio, il platino e, appunto, l’oro.

Le stelle di neutroni sono oggetti cosmici incredibilmente densi, con dimensioni pari a quelle di una città (circa venti chilometri di diametro) ma contenenti più materiale di quanto ne contenga il Sole. Scontrandosi, danno origine a un fenomeno estremamente violento. L’esistenza di questo tipo di eventi era stata ipotizzata solo teoricamente fino all’osservazione, nel 2017, di Gw 170817, l’evento di fusione di due stelle di neutroni registrato, per la prima volta, sia grazie alle onde gravitazionali che a quelle elettromagnetiche.

La tavola periodica con l’indicazione sull’origine degli elementi fino all’uranio. Crediti: Chiaki Kobayashi et al. Artwork/Sahm Keily

Tutto l’idrogeno nell’universo – compreso anche quello terrestre – ha avuto invece origine durante il Big Bang. Gli altri elementi chimici sono invece originati nei processi nucleosintesi che avvengono all’interno delle stelle. È la massa il parametro che definisce quali elementi possono avere origine da questi processi – elementi che poi vengono rilasciati nello spazio solo nelle fasi finali della vita della stella, in modo esplosivo nel caso di quelle più grandi (supernove) o con processi meno violenti quali il vento stellare, come succede per stelle simili al Sole.  

Alla luce dei recenti risultati, gli autori dello studio ritengono che il ruolo delle stelle di neutroni sia stato notevolmente sovrastimato, e che altri processi di nucleosintesi stellare siano altrettanto responsabili della creazione della gran parte degli elementi pesanti. La sintesi di questi ultimi, conclude lo studio, sembra richiedere un tipo di fenomeno astrofisico completamente diverso: l’esistenza – questa è l’ipotesi proposta – di un nuovo tipo di supernove che, collassando durante la rotazione ad alta velocità, generano forti campi magnetici.

Il nuovo modello, stando agli autori dello studio, cambierà sostanzialmente il modello teorico attuale che descrive come l’universo si sia evoluto«Abbiamo costruito questo nuovo modello per spiegare contemporaneamente la presenza di tutti gli elementi, e siamo riusciti a confermare con buona approssimazione la stima attuale di argento ma non quella dell’oro», dice la prima autrice Chiaki Kobayashi, della University of Hertfordshire (Regno Unito). «Nel modello messo a confronto con le osservazioni, l’argento è prodotto in abbondanza mentre l’oro appare scarso. Questo significa che è necessario identificare un nuovo tipo processo nucleare per spiegare le osservazioni attuali».

«Anche le stime più ottimistiche di collisioni tra stelle di neutroni non sono sufficienti a spiegare l’abbondanza  di alcuni elementi nell’universo», spiega Amanda Karakas della Monash University di Clayton in Australia, coautrice dello studio. «È stata una sorpresa. Sembra che le supernove in rotazione dotate di potenti campi magnetici siano le vere sorgenti della maggior parte di questi elementi». 

A fare chiarezza, aggiunge un’altra coautrice dello studio, l’astrofisica italiana Maria Lugaro (oggi ricercatrice al Konkoly Observatory di Budapest, in Ungheria, e alla Monash University, in Australia), potrebbero essere i laboratori nucleari qui sulla Terra. «Attualmente hanno nel mirino nuclei rari associati alle fusioni di stelle di neutroni. Le proprietà di questi nuclei sono sconosciute, ma esercitano una forte influenza sulla produzione delle abbondanze di elementi pesanti. Il problema astrofisico dell’oro mancante può effettivamente essere risolto da un esperimento di fisica nucleare».

I ricercatori ritengono che in futuro, però, si possa anche scoprire che le collisioni fra stelle di neutroni sono più frequenti di quello che suggeriscono i modelli attuali. In questo caso, il loro contributo alla formazione degli elementi costitutivi di tutto ciò che conosciamo – dagli schermi dei cellulari al combustibile per i reattori nucleari – potrebbe essere molto maggiore. 

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