L’esperimento LUNA-Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics in corso nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha misurato per la prima volta la velocità della principale sorgente di neutroni nelle stelle, un ingrediente fondamentale per comprendere la sintesi degli elementi chimici pesanti presenti nell’universo. Tra gli autori dello studio scientifico pubblicato sulla rivista americana Physical Review Letters (leggi l’articolo in Inglese) anche Oscar Straniero e Sergio Cristallo ricercatori dell’OA d’Abruzzo e Diego Vescovi, già dottorando all’osservatorio ed ora post-doc alla Goethe Universitat di Francoforte.

Ma quale legame esiste tra la rivoluzione industriale high-tech a cui stiamo assistendo e le stelle? Lo spiega Oscar Straniero, coautore della ricerca ed esperto in nucleosintesi stellare, in questo articolo.

«La transizione ecologica dipenderà dalla disponibilità di rari elementi chimici pesanti.  Alcuni esempi: il neodimio o il lantanio sono necessari per produrre motori elettrici e ibridi, l’erbio è usato per le fibre ottiche e molti di questi elementi sono impiegati nella produzione di microprocessori. Queste materie prime preziose per l’high-tech green si trovano nelle righe 5 e 6 della tavola periodica, dal rubidio (Z=37) al bismuto (Z=83). Già da qualche anno stiamo assistendo ad un aumento esponenziale della domanda di questi materiali.  La loro scarsezza minaccia i piani di attuazione della transizione ecologica e si prevede che sarà causa di incertezza per l’economia e la finanza nell’era post-pandemica.»

Perché queste materie prime sono così rare?

«La risposta va cercata nei processi di nucleosintesi che avvengono negli interni stellari, dove sono stati prodotti quasi tutti gli elementi della tavola periodica. Sappiamo che le fusioni nucleari trasformano nuclei leggeri in nuclei via via più pesanti. Questi processi producono anche l’energia necessaria al sostentamento delle strutture stellari. Senza reazioni nucleari, il Sole vivrebbe solo poche decine di milioni di anni, mentre sappiamo che la sua età è circa 4.5 miliardi di anni.  Sappiamo anche che il motore nucleare delle stelle funziona fino a quando non viene prodotto ferro (Z=26). I nuclei del gruppo del ferro, infatti, sono i più compatti e la loro fusione, anziché produrre energia, ne assorbe a scapito dell’energia termica della stella. Quando questo accade, il nucleo della stella diventa instabile e collassa, lasciando una stella di neutroni o un buco nero.»

Allora “dove”, “come” e “quando” avviene la sintesi degli elementi più pesanti del ferro?

«La prima parziale risposta al “come”  —spiega Straniero— fu per la prima volta proposta in un articolo pubblicato sul Review of Modern Physics nel 1957 e firmato da Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William A. Fowler e Fred Hoyle. Per gli scienziati del Caltech (California Institute of Technology) il segreto della produzione dei nuclei pesanti sono i neutroni. Infatti, essendo privi di carica elettrica, i neutroni sono facilmente catturati dai nuclei che a loro volta diventano via via sempre più pesanti. Il problema è che i neutroni sono particelle instabili, la cui vita media è di soli 15 minuti (circa). Pertanto, le catture di neutroni nelle stelle sono possibili solo quando si attiva una sorgente di neutroni, un evento che avviene raramente e in condizioni molto particolari. Questo fatto è all’origine della rarità in natura degli elementi più pesanti del ferro.»

Prosegue Straniero: «Per rispondere al “dove” e al “quando” ci sono voluti quasi 40 anni! A partire dalla metà degli anni 90 è stata finalmente identificata la più importante sorgente di neutroni nelle stelle: un nucleo di carbonio 13 cattura una particella a (un nucleo di elio), produce ossigeno e libera un neutrone, ¹³C+a -> ¹⁶O+n . Le stelle dove questa reazione è attiva sono giganti rosse di massa tra 1.5 e 2.5 volte la massa del Sole che si trovano nella fase evolutiva di ramo asintotico (AGB).  Oggi sappiamo che queste stelle sono responsabili della produzione di almeno il 50% degli elementi più pesanti del ferro, in particolare di quelli sulle righe 5 e 6 della tavola periodica.

Le teorie devono però essere sempre confermate dalle osservazioni. Ad oggi, molte sono state le prove osservative che confermano lo scenario teorico descritto. Tuttavia, un confronto definitivo tra teoria e osservazioni richiede una precisa misura dei tassi delle reazioni nucleari coinvolte, in particolare della sorgente di neutroni. Il laboratorio sotterraneo del Gran Sasso dell’INFN è il posto ideale dove effettuare questa misura. Dopo una campagna sperimentale durata circa 4 anni, LUNA -a cui collaborano circa 50 scienziati di università ed enti di ricerca di Italia, Germania, Ungheria e Regno Unito- ha finalmente misurato il tasso della reazione con un’elevatissima precisione. Come hanno spiegato i coordinatori dell’esperimento, Alba Formicola ed Andreas Best, “LUNA è l’unico esperimento ad oggi che è riuscito a misurare direttamente il processo ¹³C+a ->¹⁶O+n nella finestra energetica di interesse astrofisico, riducendo drasticamente le incertezze. Questa misura è stata possibile grazie al livello di fondo fortemente ridotto nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso”.  Il risultato di questo esperimento avrà un grande impatto sulla nostra comprensione dei processi astrofisici e nucleari che concorrono alla produzione degli elementi più pesanti del ferro. Ad esempio, i calcoli di nucleosintesi stellare ottenuti grazie al nuovo e più accurato tasso della sorgente principale di neutroni, presentano una sostanziale variazione delle abbondanze prodotte di alcuni nuclei radioattivi, come il ferro 60 e il piombo 205, le cui tracce sono state trovate nel materiale primordiale da cui si è formato il sistema solare.»

Per altre informazioni visita LNGS-INFN https://www.lngs.infn.it/it/news/luna-results

Foto del titolo: Crediti INFN-Esperimento LUNA.