L’ORIGINE DI ALCUNI ISOTOPI RESTA ANCORA SENZA SPIEGAZIONE

Nucleosintesi, la ricetta segreta delle supernove

Un nuovo studio sul processo “tre-alfa”, guidato da ricercatori della Michigan State University, potrebbe rivoluzionare le conoscenze che stanno alla base dei processi di nucleosintesi che governano le supernove durante la loro drammatica esplosione. I risultati sono stati pubblicati su Nature

     03/12/2020
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Cassiopea A è un resto di supernova e si trova nella costellazione di Cassiopea. Credito: Nasa / Cxc / Sao

Una delle citazioni più famose del noto scienziato e scrittore Carl Sagan era “The cosmos is within us. We are made of star-stuff” (“L’universo è dentro di noi. Siamo fatti della stessa materia delle stelle”).

In effetti, i ricercatori concordano nel sostenere che quasi tutti gli atomi che compongono la Terra e ogni cosa su di essa, compresa la vita come noi la conosciamo, siano stati forgiati all’interno delle stelle e durante le catastrofiche esplosioni di supernova, considerate le detonazioni più importanti nell’universo in quanto arricchiscono il mezzo interstellare di massa, energia e nuovi elementi chimici pesanti, come il carbonio.

Un nuovo studio pubblicato ieri su Nature e guidato da ricercatori della Michigan State University potebbe rivoluzionare le conoscenze che stanno alla base di questi processi di nucleosintesi, che avvengono all’interno delle supernove durante la loro drammatica esplosione. Non solo: la scoperta ribalta una teoria che sta alla base della formazione di alcuni degli elementi pesanti presenti sulla Terra e che spiega le quantità insolitamente elevate di alcuni isotopi del rutenio e molibdeno.

 «È sorprendente», dice Luke Roberts, ricercatore presso la Facility for Rare Isotope Beams (Frib) e il Dipartimento di fisica e astronomia della Michigan State University, «abbiamo speso molto tempo per assicurarci che i risultati fossero corretti». Roberts ha implementato il codice che il team ha utilizzato per modellare l’ambiente all’interno di una supernova. I risultati pubblicati mostrano che le regioni più interne delle supernove possono forgiare atomi di carbonio almeno dieci volte più velocemente di quanto si pensasse in precedenza. Questa creazione di carbonio avviene attraverso una reazione nota come processo tre-alfa (the triple-α reaction).

 «Il processo tre-alfa è, per molti versi, la reazione più importante. Definisce la nostra esistenza», spiega Hendrik Schatz, direttore del Joint Institute for Nuclear Astrophysics – Center for the Evolution of the Elements. Forse nessun’altra materia stellare è così importante, per la vita sulla Terra, come il carbonio prodotto nel cosmo e sintetizzato all’interno delle supernove durante il processo tre-alfa.

Il processo inizia con le particelle alfa –  i nuclei degli atomi di elio – composte da due protoni e due neutroni. Durante i processi reattivi le stelle fondono insieme tre particelle alfa, creando una nuova particella con sei protoni e sei neutroni e sintetizzando così la forma di carbonio più comune dell’universo. Ci sono altri isotopi prodotti da altri processi nucleari, ma questi costituiscono poco più dell’un per cento degli atomi di carbonio presenti sulla Terra.

Nel processo tre-alfa le stelle fondono tre nuclei di elio (a sinistra) per creare un singolo atomo di carbonio con un surplus di energia, noto come stato di Hoyle. Questo stato di Hoyle può dividersi in tre particelle alfa o rilassarsi allo stato fondamentale del carbonio stabile rilasciando un paio di raggi gamma (al centro). All’interno delle supernove, tuttavia, la creazione di carbonio stabile può essere migliorata con l’aiuto di protoni extra (a destra) che fluttuano. Crediti: Facility for Rare Isotope Beams

«Fondere insieme tre particelle-alfa di solito è un processo inefficiente», osserva Roberts. «A meno che non ci sia qualcosa che aiuti». Il team Spartan (Michigan State University), spiega che le regioni più interne delle supernove possono essere ricche di protoni in eccesso, pertanto la loro presenza può facilicitare e accelerare le reazioni del processo tre-alfa. «Ma allo stesso tempo, accelerare la reazione del processo tre-alfa mette un freno alla capacità della supernova di creare elementi più pesanti sulla tavola periodica», aggiunge Roberts.

Gli scienziati, infatti, sono concordi da tempo sul fatto che le supernove, ricche di protoni, siano la fonte della sorprendente abbondanza sulla Terra di alcuni isotopi di rutenio e molibdeno, che contengono più di cento protoni e neutroni. «Non ottieni quegli isotopi in altri posti», nota Roberts. Tuttavia, stando al nuovo studio, questi isotopi probabilmente non vengono prodotti all’interno delle supernove ricche di protoni. «Quello che trovo affascinante è che ora bisogna trovare un altro modo per spiegare la loro esistenza. Non dovrebbero essere qui e con questa abbondanza», dice Schatz, «E non è facile trovare alternative».

 «In un certo senso è un po’ una delusione», ammette Sam Austin, ideatore del progetto e professore emerito al Michigan State University. «Pensavamo di conoscere la fonte della loro origine, ma non la conosciamo ancora abbastanza bene.»

Nessuna teoria esistente comprende ancora questa nuova scoperta e il team non ha soluzioni immediate all’enigma. «Qualunque cosa succeda dopo [l’esplosione], bisogna considerare gli effetti  accelerati causati dal processo tre-alfa. È un puzzle interessante», spiega Schatz.

Questo nuovo enigma sui processi che governano le supernove, secondo i ricercatori, avrà un impatto sui prossimi esperimenti al Frib, e sebbene questo risultato contraddica le nozioni che sono alla base della creazione degli elementi chimici nell’universo, sono convinti che ricerche del genere alimenteranno la nuova scienza per una migliore comprensione dell’universo.

D’altronde, «il progresso arriva quando c’è una contraddizione», ricorda Austin. «Amiamo il progresso», conclude Schatz. «Anche quando distrugge una delle nostre teorie preferite.»

Non ci resta che attendere nuovi sviluppi.

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