La Danza Più Preziosa dell’Universo

Tanto tempo fa in una galassia lontana lontana…

Due stelle di neutroni di massa di poco superiore a quella del nostro Sole si avvicinano pericolosamente l’una all’altra, vorticando a velocità folle e disegnando nello scuro mare dello spazio-tempo piccolissime onde, quasi impercettibili. Si avvicinano, fino a scontrarsi. E poi, un lampo di luce.

Milano, 16 ottobre 2017

Alberto salì di fretta sul tram. Era terribilmente in ritardo per la lezione di Relatività Generale.

Udì, senza farci troppo caso, il tram sferragliare sui binari e il pantografo schioccare, emettendo scintille, nel contatto con la linea aerea. 
Si mise le cuffie e fece partire “Iron Man” dei Black Sabbath. Giocò distrattamente con la catenina d’argento che portava al collo mentre sfogliava le notizie del giorno sul suo smartphone, finché si bloccò improvvisamente ad una notizia: “Rivelate le prime onde gravitazionali prodotte da coalescenza di stelle di neutroni”.

TUTTO È CONNESSO

Cosa hanno in comune queste due storie? Molto più di quanto pensiate.

Alberto, evidente riferimento al geniaccio che ha ipotizzato per primo l’esistenza di onde gravitazionali, si trova su un tram, alimentato da corrente elettrica che viene trasportata in cavi di Rame.

Usa delle cuffie all’interno delle quali si trovano piccoli magneti di Neodimio, indossa una collana di Argento e usa un cellulare che contiene circuiti integrati costruiti con Gallio e Germanio. Tutto ciò, ascoltando “l’uomo di Ferro” dei Black Sabbath.

Ebbene, tutti gli elementi chimici presenti in questa storia vengono prodotti durante la collisione di due stelle di neutroni (per saper cosa sono clicca qui), a partire da pochi atomi di Ferro, con l’aggiunta di qualche altro ingrediente e tanta, tanta energia.

Un bigino di Fisica Nucleare

Innanzitutto vediamo brevemente cosa vuol dire produrre nuclei di elementi pesanti. Un nucleo è composto da un numero Z di protoni e da un numero N di neutroni. Un elemento è identificato esclusivamente dal numero di protoni che possiede (quindi Z).

Se prendiamo, per esempio, un nucleo con Z=1 e N=0, stiamo considerando un nucleo con un singolo protone, ovvero un nucleo di idrogeno. 
Se a questo aggiungessimo un neutrone, ottenendo, quindi, Z=1 e N=1, avremmo un nucleo più pesante, ma ancora di idrogeno.

Se volessimo quindi produrre un diverso elemento, dovremmo aggiungere un protone, arrivando quindi a Z=2, ovvero ad un nucleo di Elio.

Bene, ora che avete le conoscenze di fisica nucleare necessarie, veniamo al succo del discorso. Sappiamo che elementi leggeri come Idrogeno, Elio e Litio vengono creati nei primi minuti di vita dell’universo, dopo il Big Bang. 
Tutti gli altri elementi vengono prodotti nelle varie fasi di evoluzione delle stelle.

Nei nuclei di queste, infatti, tramite fusione nucleare, gli elementi preesistenti si aggregano a formarne via via di più pesanti. Tutto questo processo continua però solamente fino alla produzione del Ferro.

A questo punto, che grossomodo corrisponde allo stadio evolutivo di una stella immediatamente precedente all’esplosione di supernova, produrre elementi più pesanti risulta estremamente complesso, dal momento che il Ferro ha la particolare proprietà di essere incredibilmente stabile.

E qui arrivano le stelle di neutroni. La produzione di elementi con un numero di protoni maggiore di quello del Ferro è possibile solamente in condizioni estreme che si trovano nelle collisioni delle stelle di neutroni e in pochi altri siti nell’universo.

Nella fattispecie, per poter attivare le reazioni extra per produrre questi nuovi elementi sono necessarie temperature circa 100 volte superiori a quella del nucleo del Sole e densità di neutroni enormi (circa un milione di trilioni di neutroni in un cubo di 1 cm di lato).

Condizioni che per l’appunto si riscontrano in queste collisioni cosmiche.

Il processo R

In queste condizioni estreme prende avvio quella che viene chiamata cattura rapida dei neutroni, o processo R.

Abbiamo detto che per creare elementi pesanti bisogna accrescere il numero di protoni. Tuttavia la cattura di un protone da parte di un nucleo è un processo estremamente raro, in quanto sia il nucleo che il protone hanno carica positiva e dunque tendono a respingersi. 
La natura però ha voluto che a partire da un neutrone si possa generare un protone tramite decadimento beta.

[Per gentile concessione dell’autore, infografica preparata su Canva]

In questo scenario, dunque, si viene a creare un sostanziale equilibrio tra due diverse reazioni. Innanzitutto, i preesistenti nuclei di Ferro tendono a catturare neutroni, che non avendo carica elettrica, non vengono respinti dal nucleo.

Tuttavia, date le temperature estremamente elevate, i fotoni sono in grado di liberare i neutroni stessi, distruggendo i nuclei che li hanno catturati (il termine tecnico è fotodisintegrare). 

Entrambe queste reazioni avvengono in tempi dell’ordine del millesimo di secondo dopo la collisione.

L’esito di questa competizione è la produzione di nuclei detti di “waiting point”, ovvero nuclei che, grazie al particolare numero di neutroni che contengono, sono particolarmente stabili.

A questo punto, però, dopo circa un decimo di secondo, interviene il decadimento beta. I neutroni in eccesso per ciascun nucleo di waiting point cominciano a decadere producendo protoni, elettroni e neutrini. 
Ciò permette quindi di creare, in pochi secondi, nuclei con un numero maggiore di protoni, che poi grazie all’onda d’urto prodotta dalla collisione delle due stelle vengono lanciati nello spazio e si diffondono in tutto l’universo.

[Per gentile concessione dell’autore]

In figura è schematizzato il processo. Ciascun quadrato rappresenta un particolare nucleo e i quadrati sulla stessa riga formano quella che viene detta catena isotopica, ovvero una catena formata da nuclei con stesso numero Z di protoni, ma differente numero di neutroni.

Le frecce blu indicano la cattura dei neutroni, che quindi fa spostare i nuclei verso destra (ad un maggior numero di neutroni), mentre le frecce gialle indicano la disintegrazione, che tende a far perdere neutroni al nucleo.

Infine, una volta giunti al nucleo di waiting point (quadrato rosso), il decadimento beta, indicato dalle frecce rosse, mette in collegamento le varie catene, incrementando il numero di protoni.

In questo modo quindi vengono prodotti, non solo Rame e Argento, ma anche Oro, Platino, Uranio e Piombo.

Pensate all’impatto che questi eventi hanno avuto e hanno tutt’ora sulla nostra vita, quotidianamente. Utilizziamo smartphone e computer senza pensarci.

Sfruttiamo corrente elettrica, prodotta in centrali nucleari, alimentate da Uranio e Plutonio, e trasportata in cavi di Rame; ma anche auricolari che contengono Neodimio, o lampadine con i loro filamenti in Tungsteno. 
Dobbiamo gran parte del nostro sviluppo economico e tecnologico a due stelle, che milioni, se non miliardi, di anni fa, in una galassia lontana lontana, danzando l’una attorno all’altra, a velocità folli, si sono avvicinate, fino ad unirsi in un lungo e prezioso abbraccio.

Talvolta l’universo sa essere poetico.

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Davide Laudicina Laureato in Fisica all’Università di Milano-Bicocca, attualmente frequento il corso di laurea magistrale in Fisica Teorica. Orgogliosamente Nerd, nel tempo libero ho sviluppato una dipendenza da serie TV, fumetti e libri e una malsana attitudine nel perdermi durante escursioni in montagna.

Fonti e approfondimenti:

  • Martin, Dirk. r-process nucleosynthesis: on the astrophysical conditions and the impact of nuclear physics input. Diss. Technische Universität, 2017.

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