“PROCESSO R” E NUCLEOSINTESI DELLO IODIO E DEL CURIO

Nelle meteoriti la storia degli elementi pesanti

Uno studio pubblicato su Science ha misurato il rapporto fra le quantità di iodio-129 e il curio-247 presenti nelle meteoriti, arrivando alla conclusione che non può essere stata una collisione tra stelle di neutroni il processo all’origine della loro sintesi nel periodo precedente la formazione del Sistema solare. Il mistero non è comunque ancora del tutto risolto

     02/03/2021
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Schema della formazione del Sistema solare con alcune le tappe salienti della nucleosintesi, quando i nuclei radioattivi si sono aggregati in forma solida per poi diventare meteoriti una volta entrati in contatto con la Terra. Crediti: Bill Saxton / Nsf / Aui / Nrao

Come si sono formati gli elementi chimici della tavola periodica e, in particolare, quelli più pesanti? Uno studio pubblicato su Science – condotto da ricercatori dell’International Research Network for Nuclear Astrophysics (Irena) e del Joint Institute for Nuclear Astrophysics – Center for the Evolution of the Elements (Jina-Cee) – ha analizzato il contenuto di iodio-129 e curio-247 nelle meteoriti, ottenendo indizi sulla formazione degli elementi pesanti prima della formazione del Sistema solare.

Le stelle che di notte vediamo brillare nella volta celeste sono allo stesso tempo consumatrici e produttrici di energia e di materia. Il processo di fusione comporta reazioni nucleari, chiamate nucleosintesi, in cui a partire dall’idrogeno si formano man mano gli elementi successivi, come ad esempio l’elio o l’ossigeno. Le stelle di grande massa possono arrivare a generare elementi via via più pesanti fino ad arrivare al ferro, ma non riescono ad andare oltre, pena il collasso totale.

Eppure la nostra vita quotidiana è costellata di elementi ben più pesanti del ferro. Com’è possibile? Gli elementi pesanti, all’inizio dell’universo – 13,7 miliardi di anni fa – semplicemente non esistevano. Molti di essi sono stati creati nel tempo attraverso un particolare tipo di nucleosintesi chiamato “processo di cattura rapida dei neutroni” – o “processo r”, dove “r” sta appunto per rapido. Iodio, oro, platino, uranio, plutonio e curio – alcuni fra gli elementi più pesanti – sono il risultato di questo processo, che non trova spazio nella normale fisiologia della vita delle stelle. Infatti le condizioni necessarie per il verificarsi del processo r si possono raggiungere solo negli stati estremi e patologici tipici della fine della vita stellare, e in particolare in tre classi di fenomeni: le violente collisioni tra due stelle di neutroni o tra una stella di neutroni e un buco nero, oppure le rare esplosioni successive alla morte di stelle massicce – le supernove.

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

Tali eventi altamente energetici si verificano molto raramente nell’universo e comunque hanno una durata brevissima. Quando accadono, però, la materia cambia letteralmente i connotati: i neutroni vengono incorporati nel nucleo degli atomi, e quindi in parte 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 e tornare nuovamente allo stadio di nuclei stabili. Nuclei come quelli dello iodio-129 e del curio-247 – elementi prodotti certamente prima della formazione del Sole per essere poi incorporati in solidi che alla fine sono caduti sulla superficie terrestre sotto forma di meteoriti. All’interno di queste meteoriti, il decadimento radioattivo ha generato un eccesso di nuclei stabili. Oggi questo eccesso può essere misurato nei laboratori per calcolare la quantità di iodio-129 e curio-247 che erano presenti nel Sistema solare poco prima della sua formazione. Questo grazie a una particolare caratteristica condivisa dai due elementi: decadono quasi esattamente alla stessa velocità. In altre parole, il rapporto tra iodio-129 e curio-247 non è cambiato dalla loro sintesi, avvenuta miliardi di anni fa.

«Si tratta di una coincidenza sorprendente, soprattutto considerando che questi nuclei sono due dei soli cinque nuclei radioattivi del processo r che possono essere misurati nelle meteoriti», dice il primo autore dell’articolo, Benoit Côté dell’Osservatorio Konkoly. «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 dato forma alla composizione del sistema solare e di tutto ciò che contiene».

Contributo dei processi s, r e p alla composizione pre-solare isotopica ed elementale. Il contributo di ciascun processo è proporzionale all’area colorata della casella corrispondente (cliccare per ingrandire). Crediti: N. Prantzos et. al., Mnras, 2019

Lo iodio, con i suoi 53 protoni, si crea più facilmente del curio, che ne ha 96. Questo perché sono necessarie più reazioni di cattura dei neutroni per raggiungere il maggior numero di protoni del curio. Di conseguenza, il rapporto tra iodio 129 e curio 247 dipende fortemente dalla quantità di neutroni disponibili durante la loro creazione. Il team ha calcolato i rapporti tra iodio-129 e curio-247 sintetizzati dalle collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri per trovare il giusto insieme di condizioni che riproducono la composizione delle meteoriti. La conclusione è 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 creato troppo curio rispetto allo iodio. Ciò implica 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 importante in questa nucleosintesi.

La ricerca, dunque, si è fermata qui: all’esclusione dello scontro tra stelle di neutroni. I ricercatori non si sono spinti fino a ipotizzare un fenomeno particolare alla base della genesi degli isotopi di iodio e curio, visto che i modelli di nucleosintesi si basano su proprietà nucleari ancora incerte e non è ancora chiaro come collegare la disponibilità di neutroni a specifici eventi astronomici come supernove, stelle di neutroni in collisione tra loro o con buchi neri.

«Ma la capacità offerta dal rapporto iodio-129/curio-247 di scrutare più direttamente nella natura fondamentale della nucleosintesi degli elementi pesanti è una prospettiva entusiasmante per il futuro», osserva Nicole Vassh dell’Università di Notre Dame, coautrice dello studio. Con questo nuovo strumento diagnostico, i progressi nella fedeltà delle simulazioni astrofisiche e nella comprensione delle proprietà nucleari potrebbero finalmente rivelare quali processi hanno prodotto gli elementi più pesanti del Sistema solare.

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