i resti dei getti di stelle di neutroni dopo che si sono fuse
  • Categoria dell'articolo:Curiosità / Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:15 Gennaio 2022

Sfondare il mistero delle origini cosmiche dell’oro

Da dove viene l’oro, il metallo prezioso ambito dai mortali nel corso dei secoli? Come, dove e quando è stato prodotto? Nell’agosto del 2017, una singola osservazione astrofisica ci ha finalmente fornito la chiave per rispondere a queste domande. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati il ​​16 ottobre 2017.

L’oro preesiste alla formazione della Terra: questo è ciò che lo differenzia, ad esempio, dal diamante. Per quanto preziosa possa essere, questa pietra nasce dal puro carbonio, la cui struttura atomica è modificata dall’enorme pressione esercitata dalla crosta terrestre. L’oro è totalmente diverso: le forze più forti nel mantello terrestre non sono in grado di modificare la composizione del suo nucleo atomico. Peccato per gli alchimisti che sognavano di trasformare il piombo in oro.

Eppure c’è oro sulla Terra, sia nel suo nucleo profondo, dove è migrato insieme ad elementi pesanti come piombo o argento, sia nella crosta del pianeta, dove estraiamo questo metallo prezioso. 

Mentre l’oro nel nucleo era già presente alla formazione del nostro pianeta, quello nella crosta è prevalentemente extraterrestre ed è arrivato dopo la formazione della Terra. Fu portato da una gigantesca pioggia di meteoriti che bombardò la Terra (e la Luna) circa 3,8 miliardi di anni fa.

Formazione di elementi pesanti

Come viene prodotto l’oro nell’universo? Gli elementi più pesanti del ferro, compreso l’oro, sono in parte prodotti dal processo s durante le ultime fasi di evoluzione delle stelle. È un processo lento (s sta per lento) che opera nel nucleo di quelle che vengono chiamate stelle AGB, quelle di massa bassa e intermedia (meno di 10 masse solari) che possono produrre elementi chimici fino al polonio. L’altra metà degli elementi pesanti è prodotta dal processo r (r sta per rapido). Ma il luogo in cui avviene questo processo di nucleosintesi è rimasto a lungo un mistero.

Per comprendere la scoperta resa possibile dall’osservazione del 17 agosto 2017, dobbiamo comprendere lo status quo scientifico che esisteva in precedenza. Per circa 50 anni, l’ipotesi dominante nella comunità scientifica è stata che il processo r abbia avuto luogo durante l’esplosione finale di stelle massicce (gli specialisti parlano di una supernova con collasso del nucleo). Infatti, la formazione di elementi leggeri (quelli fino al ferro) implica reazioni nucleari che assicurano la stabilità delle stelle contrastando la contrazione indotta dalla gravità. Per gli elementi più pesanti – quelli del ferro e non solo – è necessario aggiungere energia o intraprendere percorsi ben precisi, come i processi s e rI ricercatori credevano che il processo r potrebbe avvenire nella materia espulsa dall’esplosione di stelle massicce, catturando una parte dell’energia rilasciata e partecipando alla diffusione di materiale nel mezzo interstellare.

Nonostante la semplicità di questa spiegazione, la modellazione numerica delle supernove si è rivelata estremamente complicata. Dopo 50 anni di sforzi, i ricercatori hanno appena iniziato a capirne il meccanismo. La maggior parte di queste simulazioni purtroppo non fornisce le condizioni fisiche per il processo r.

Queste condizioni sono comunque abbastanza semplici: sono necessari molti neutroni e un ambiente davvero caldo.

Fusione di stelle di neutroni

Nell’ultimo decennio circa, alcuni ricercatori hanno iniziato a studiare seriamente uno scenario alternativo del sito di produzione di elementi pesanti. Hanno concentrato la loro attenzione sulle stelle di neutroni. Come si addice al loro nome, costituiscono un gigantesco serbatoio di neutroni, che vengono rilasciati occasionalmente. Il più forte di questi rilasci avviene durante la loro fusione, in un sistema binario, chiamato anche kilonova. Ci sono diverse firme di questo fenomeno che fortunatamente sono state osservate il 17 agosto: un’emissione di onde gravitazionali culminata una frazione di secondo prima della fusione finale delle stelle e un’esplosione di luce altamente energetica (nota come un lampo di raggi gamma) emessa da un getto di materia che si avvicina alla velocità della luce. 

Sebbene queste esplosioni siano state osservate regolarmente per diversi decenni, è solo dal 2015 che le onde gravitazionali sono state rilevabili sulla Terra grazie agli interferometri Virgo e LIGO.

Due once d'oro... dallo spazio. Wikimedia, CC BY
Due once d’oro… dallo spazio. WikimediaCC BY

Il 17 agosto rimarrà una data importante per la comunità scientifica. Segna infatti la prima rilevazione simultanea dell’arrivo di onde gravitazionali – la cui origine nel cielo è stata abbastanza ben identificata – e di un lampo di raggi gamma, la cui origine era anche abbastanza ben localizzata e coincideva con la prima. Le emissioni di lampi di raggi gamma sono focalizzate in un cono stretto e la fortuna degli astronomi è stata che questo è stato emesso nella direzione della Terra.

Nei giorni successivi i telescopi analizzarono continuamente la luce di questa kilonova e trovarono conferma della produzione di elementi più pesanti del ferro. Sono stati inoltre in grado di stimare la frequenza del fenomeno e la quantità di materiale espulso. Queste stime sono coerenti con l’abbondanza media degli elementi osservati nella nostra galassia.

In una singola osservazione, l’ipotesi finora prevalente – di un processo r che si verifica esclusivamente durante le supernove – è ora seriamente in discussione ed è ormai certo che il processo r avvenga anche nelle kilonove. Resta da determinare il rispettivo contributo di supernove e kilonove per la nucleosintesi degli elementi pesanti, e lo si farà con l’accumulo di dati relativi alle prossime osservazioni. La sola osservazione del 17 agosto ha già consentito un grande progresso scientifico per la comprensione globale dell’origine degli elementi pesanti, compreso l’oro.

Questa animazione della NASA è una visione artistica e una versione accelerata dei primi nove giorni di una kilonova (la fusione di due stelle di neutroni) simile a quella osservata il 17 agosto 2017 (GW170817). Nella fase di avvicinamento delle due stelle, le onde gravitazionali emesse si colorano di azzurro pallido, quindi dopo la fusione viene emesso un getto vicino alla velocità della luce (in arancione) generandosi a sua volta un lampo gamma (in magenta). Il materiale espulso dalla kilonova produce una luce inizialmente ultravioletta (viola), poi bianca nell’ottica e infine infrarossa (rossa). Il getto continua la sua espansione emettendo luce nella gamma dei raggi X (blu)

Una nuova finestra sull’Universo

Si è appena aperta una nuova finestra sull’universo, come il giorno in cui Galileo focalizzò il primo telescopio sul cielo. Gli interferometri Virgo e LIGO consentono ora di “ascoltare” i fenomeni più violenti dell’universo e si sono aperte immense prospettive per astronomi, astrofisici, fisici delle particelle e fisici nucleari. Questo risultato scientifico è stato possibile solo grazie alla fruttuosa collaborazione tra nazioni di grande sostegno, in particolare Stati Uniti, Germania, Francia e Italia. Ad esempio, esiste un solo laboratorio al mondo in grado di raggiungere la precisione richiesta per specchi riflettenti laser, LMA a Lione, Francia. Nuovi interferometri sono in fase di sviluppo in Giappone e in India, e questo elenco sicuramente si allungherà presto viste le enormi scoperte previste per il futuro.

Autore

Jérôme Margueron, Università di Washington