La fusione di due stelle di neutroni è tra i principali siti candidati alla sintesi degli elementi più pesanti della tavola periodica attraverso il processo di cattura rapida dei neutroni. L’immagine artistica raffigura due stelle di neutroni che si scontrano rilasciando neutroni che i nuclei radioattivi catturano rapidamente. La combinazione di cattura dei neutroni e decadimento radioattivo produce successivamente elementi più pesanti. Si ritiene che l’intero processo avvenga in un solo secondo. Crediti: Matthew Mumpower/Los Alamos National Laboratory
À rebours, a ritroso. Non nel tempo, questa volta, ma nella tavola periodica: un gioco dell’oca che le stelle percorrono dagli elementi più leggeri ai più pesanti – fusione su fusione, esplosioni e merging –, dall’idrogeno al ferro e oltre. Così almeno siamo abituati a pensare. Ma che stando a uno studio pubblicato la settimana scorsa su Science può essere percorso anche controcorrente, tornando indietro di qualche casella. Dunque attraverso processi non solo di fusione nucleare, come quelli che stiamo in tutti i modi tentando di replicare qui sulla Terra, ma anche di fissione: processi, questi ultimi, che avvengono quotidianamente nelle nostre centrali nucleari, ma mai prima d’ora documentati nell’evoluzione di una stella.
Analizzando la quantità di elementi pesanti presenti in 42 antiche stelle della Via Lattea, gli autori dello studio hanno trovato una correlazione inattesa fra la quantità di alcuni metalli preziosi e quella di alcuni nuclei di terre rare. Quando uno di questi gruppi di elementi aumenta, aumentano anche gli elementi corrispondenti dell’altro gruppo: ciò che in gergo si definisce una correlazione positiva. Più precisamente, le abbondanze di rutenio, rodio, palladio e argento (elementi con numero atomico compreso fra 44 e 47 e numero di massa fra 99 e 110) sono risultate correlate con quelle degli elementi più pesanti (numero atomico fra 63 e 78, numero di massa maggiore di 150) – terre rare, appunto, e altri nuclei di elementi pesanti, fino al platino. Non solo: questa correlazione è invece assente per elementi di numero atomico e numero di massa appena inferiori (rispettivamente da 34 a 42 e da 48 a 62).
«L’unica spiegazione plausibile per un simile risultato in stelle diverse è che ci sia uno stesso processo in atto durante la formazione degli elementi pesanti», dice uno dei coautori dello studio, Matthew Mumpower, fisico teorico al Los Alamos National Laboratory. Quale? Il team ha messo alla prova tutte le possibilità, e la fissione nucleare è stata l’unica in grado di riprodurre la tendenza osservata. «È un risultato incredibilmente “profondo” ed è la prima prova di fissione nucleare all’opera nel cosmo», continua Mumpower, «la conferma di una teoria che avevamo già proposto parecchi anni fa. Man mano che il numero di osservazioni è andato aumentando, il cosmo ha iniziato a dirci che qui c’è una firma, e che può provenire solo dalla fissione».
Fissione di cosa? Di elementi molto pesanti. Elementi sintetizzati attraverso il cosiddetto processo r, attivo in tutte e 42 le stelle del campione preso in esame. «Il processo r», spiega Ian Roederer della North Carolina State University, primo autore dello studio pubblicato su Science, «è necessario se si vogliono ottenere elementi più pesanti, ad esempio, del piombo e del bismuto. Richiede che vengano aggiunti molti neutroni e molto rapidamente. Il problema è che per riuscirci servono molta energia e molti neutroni. E il posto migliore in cui trovare entrambe le cose è là dove una stella di neutroni sta nascendo, o là dove due stelle di neutroni si scontrano e producono la materia prima per il processo stesso».
Uno fra i risultati più sorprendenti al quale sono giunti gli autori è il peso degli elementi che potrebbero venir sintetizzati – prima della fissione – nelle stelle prese in esame: il processo r, scrivono, può produrre atomi con una massa atomica di almeno 260. Mostrando dunque che potrebbero esistere in natura elementi al di là del confine ultimo della tavola periodica così come la conosciamo, perlomeno di quella degli elementi non sintetizzati in laboratorio.
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium”, di Ian U. Roederer, Nicole Vassh, Erika M. Holmbeck, Matthew R. Mumpower, Rebecca Surman, John J. Cowan, Timothy C. Beers, Rana Ezzeddine, Anna Frebel, Terese T. Hansen, Vinicius M. Placco e Charli M. Sakari