Così l'Universo forgia l'oro grazie ai cadaveri delle stelle

Nell’ultima serie di articoli siamo andati giù fino all’infinitesimamente piccolo delle particelle elementari. Abbiamo poi parlato di come la forza forte tenga insieme alcune di queste, i quark, per creare protoni e neutroni e di come riesca a vincere la repulsione elettromagnetica tra protoni per tenerli insieme a formare nuclei. Abbiamo accennato anche a come la stessa forza elettromagnetica fa invece sì che gli elettroni possano orbitare intorno ai nuclei a formare gli atomi degli elementi della tavola periodica, e quindi di tutta la materia che conosciamo. Ma non vi abbiamo ancora raccontato, e lo faremo oggi, dove, come e quando sono stati forgiati questi elementi. Nel nostro racconto interverrà una protagonista inaspettata, l’unica forza di cui non abbiamo ancora parlato, e forse la più sconosciuta ai più: la forza debole. Ma andiamo con ordine, partendo dalle origini dell’Universo.

Subito dopo il Big Bang (o Big Bounce, leggi qui) l’Universo era popolato da una zuppa incandescente di particelle elementari, tra cui i quark. Per gli scopi di questo articolo, potete immaginarvi queste particelle con energie altissime, scontrarsi come pazze. Dopo pochi minuti, la zuppa si è raffreddata —per modo di dire, stiamo comunque parlando di miliardi di gradi, ma sempre molto meno dei miliardi di miliardi di miliardi di gradi dei primi istanti di vita—. Questo raffreddamento ha consentito ai quark, in quel processo che viene tecnicamente chiamato “nucleosintesi primordiale”, di unirsi a formare protoni (che poi sono nuclei di idrogeno), neutroni e i primi atomi composti come deuterio (un protone e un neutrone) e elio (due protoni e due neutroni).

By Original: Cmglee Traduzione: Datolo12 - File:Nucleosynthesis_periodic_table.svg, CC BY-SA 4.0, Link

Nei miliardi di anni successivi, questi elementi hanno cominciato ad agglomerarsi formando stelle, all’interno delle quali sono stati e ancora vengono creati altri elementi più “pesanti”, cioè con un numero maggiore di protoni nel nucleo. Le stelle riescono a formare nuclei pesanti “fondendo” tra loro i nuclei degli elementi più leggeri, ricavando inoltre da questi processi di fusione l’energia con cui brillano. Questo processo di nucleosintesi stellare è responsabile della creazione ad esempio del carbonio, elemento chiave della vita sulla Terra. Riesce però a creare solo atomi che contengono fino ad un certo numero di protoni. Oltre il ferro (26 protoni), infatti, la repulsione elettromagnetica dei protoni dei nuclei da fondere è tale da scongiurare la loro fusione.

Eppure forse indossate un anello d’oro (79 protoni) o argento (47), misurate la febbre con un termometro al mercurio (80), e se non avete la fibra diretta starete probabilmente usando una connessione trasportata da cavi in rame (29). Se le stelle riescono a creare atomi contenenti al più 26 protoni, da dove vengono tutti questi altri atomi?

Ci sono diverse teorie, non mutuamente esclusive. Una delle più accreditate è che si formino attraverso un processo chiamato “processo di cattura veloce di neutroni”, per gli amici “r-process”. Questo avverrebbe durante eventi astrofisici estremi come lo scontro di due stelle di neutroni, cioè i “cadaveri” di stelle molto massive formati (quasi) interamente di neutroni. Da questi scontri si formerebbero e verrebbero espulsi nello spazio interstellare agglomerati di un numero altissimo di neutroni. E a noi che ci interessa, penserete, visto che è il numero di protoni, e non quello di neutroni, a caratterizzare un elemento? È giunto allora il momento di presentarvi la quarta forza della Natura: la forza debole.

Quest’ultima è una forza sui-generis e molto affascinante. Non è una forza che tiene insieme cose, come la gravità (che ci tiene ancorati al suolo) come la forza elettromagnetica (che tiene gli elettroni attaccati ai nuclei) o come la forza forte (che tiene insieme i nuclei e i quark). Non è neanche una forza che repelle (come fa la forza elettromagnetica con le cariche di stesso segno). È invece una forza con la caratteristica unica e spettacolare di saper trasformare una particella in un’altra, seguendo certe regole. Per esempio un muone si trasforma in elettrone, quark di un tipo possono diventare quark di un altro tipo, e soprattutto un neutrone può diventare un protone. In poche parole, la forza debole è l’interazione responsabile dei decadimenti. Grazie ad essa, quindi, alcuni neutroni degli agglomerati creati dallo scontro tra stelle di neutroni si trasformerebbero in protoni creando così elementi pesanti e arricchendo la tavola periodica con oro, argento e platino.

Due estati fa è arrivata una prova sperimentale in favore di questa teoria. Il 17 Agosto 2017 l’esperimento LIGO negli States e VIRGO a Cascina (Pisa) hanno osservato il segnale delle onde gravitazionali emesse da due stelle di neutroni che “spiraleggiano” una intorno all’altra fino a scontrarsi. In pochi secondi è stato inviato un avviso a tanti altri esperimenti per puntare i loro telescopi verso la parte di cielo da cui è arrivata l’onda gravitazionale. Attraverso una misurazione precisa dello spettro della luce emessa dal prodotto di questo incredibile scontro, questi esperimenti riescono a sapere quali elementi sono riusciti a formarsi. In questo modo abbiamo visto per la prima volta l’Universo forgiare metalli preziosi!

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