L’origine degli elementi pesanti sulla tavola periodica è una delle domande aperte più affascinanti e difficili della fisica. Elementi come l’uranio e il plutonio richiedono condizioni estreme per formarsi. Queste condizioni estreme si verificano in scenari rari e specifici del cosmo, tutti caratterizzati dalla necessità di una copiosa abbondanza di neutroni.
La chiave per produrre gli elementi più pesanti è un processo noto come cattura rapida di neutroni, o processo “r”. Si pensa che questo processo sia responsabile della produzione di tutto il torio, l’uranio e il plutonio che si trovano naturalmente nell’universo. Tuttavia, i neutroni liberi hanno una breve emivita di circa 15 minuti, il che limita gli scenari in cui sono disponibili nell’abbondanza richiesta per formare gli elementi pesanti.
Un team guidato dal Los Alamos National Laboratory sta esplorando scenari inediti: il getto di raggi gamma ad alta energia e il bozzolo circostante che emergono dalle stelle collassate. Essi propongono un nuovo fenomeno in cui questi neutroni non preesistono, ma vengono prodotti dinamicamente nella stella stessa.
Il nuovo quadro proposto affronta le sfide fisiche del processo r, suggerendo reazioni e processi che si verificano intorno al collasso delle stelle e che potrebbero portare alla formazione di elementi pesanti. Questo quadro aiuta anche ad affrontare questioni critiche sul trasporto dei neutroni, le simulazioni multifisiche e l’osservazione di eventi rari.
Come funziona questo nuovo scenario?
Nel modello proposto dal fisico Matthew Mumpower, una stella massiccia inizia a morire quando esaurisce il suo combustibile nucleare. Non essendo più in grado di contrastare la propria gravità, si forma un buco nero al centro della stella. Se il buco nero ruota abbastanza velocemente, gli effetti di trascinamento dello spazio-tempo dovuti alla gravità estremamente forte vicino al buco nero avvolgono il campo magnetico e lanciano un potente getto. Attraverso reazioni successive, viene creato un ampio spettro di fotoni, alcuni dei quali ad alta energia.
Questo getto si fa strada attraverso la stella, creando un bozzolo caldo di materiale attorno al getto, “come un treno merci che attraversa la neve”. All’interfaccia tra il getto e il materiale stellare, i fotoni ad alta energia (cioè, la luce) possono interagire con i nuclei atomici, trasmutando protoni in neutroni.
I nuclei atomici esistenti possono anche essere dissolti in singoli nucleoni, creando ancora più neutroni liberi per alimentare il processo r. I calcoli del team suggeriscono che l’interazione tra luce e materia può creare neutroni incredibilmente velocemente, nell’ordine di un nanosecondo.
A causa della loro carica, i protoni rimangono intrappolati nel getto dai forti campi magnetici. I neutroni, che sono privi di carica, vengono invece spinti fuori dal getto nel bozzolo circostante. Avendo subito uno shock relativistico, i neutroni sono estremamente densi rispetto al materiale stellare circostante. È in questo ambiente denso di neutroni che il processo r può verificarsi, forgiando elementi e isotopi pesanti che vengono poi espulsi nello spazio mentre la stella viene fatta a pezzi.
Questo processo complesso coinvolge un’ampia gamma di principi fisici e comprende tutte e quattro le forze fondamentali della natura, rappresentando un vero problema multifisico che combina aree della fisica atomica e nucleare con l’idrodinamica e la relatività generale.
Implicazioni e misteri da svelare
Questo quadro del getto ad alta energia proposto dal team potrebbe contribuire a spiegare l’origine delle kilonova, un bagliore di radiazione elettromagnetica ottica e infrarossa associata ai lampi di raggi gamma di lunga durata. Le kilonova sono state associate principalmente alla collisione di due stelle di neutroni o alla fusione di una stella di neutroni e un buco nero. Sebbene queste intense collisioni siano una possibile conferma osservativa delle “fabbriche” cosmiche di elementi pesanti, la dissoluzione stellare tramite il getto di fotoni ad alta energia offre un’ alternativa origine per la produzione di elementi pesanti e le kilonova che possono generare.
Inoltre, gli scienziati hanno osservato ferro e plutonio nei sedimenti marini profondi. Questi depositi sono confermati essere di origine extraterrestre. Lo scenario del getto ad alta energia da collapsar rappresenta una possibilità intrigante come fonte di questi elementi pesanti trovati sotto il mare.
Nonostante gli sforzi del team, rimangono ulteriori sfide. Gli isotopi pesanti creati durante il processo r non sono mai stati prodotti sulla Terra. I ricercatori sanno poco sulle loro proprietà, come il loro peso atomico, l’emivita, ecc.. Per comprendere più a fondo il quadro proposto, il team spera di eseguire simulazioni sui loro modelli, incluse le complesse interazioni di microfisica.
Questa nuova prospettiva suggerisce che le stelle morenti, attraverso processi finora inesplorati legati ai getti di energia, potrebbero essere culle inattese per la nascita degli elementi più pesanti dell’universo.
Stefano Camilloni
