Nucleosintesi stellare Come le stelle creano tutti gli elementi

La nucleosintesi stellare è il processo mediante il quale gli elementi vengono creati all'interno delle stelle combinando i protoni e i neutroni insieme dai nuclei degli elementi più leggeri. Tutti gli atomi nell'universo hanno iniziato come idrogeno. La fusione all'interno delle stelle trasforma l'idrogeno in elio, calore e radiazioni. Gli elementi più pesanti vengono creati in diversi tipi di stelle mentre muoiono o esplodono.

Storia della teoria

L'idea che le stelle fondessero insieme gli atomi degli elementi luminosi fu proposta per la prima volta negli anni '20, dal forte sostenitore di Einstein, Arthur Eddington. Tuttavia, il vero merito di averlo sviluppato in una teoria coerente è dato al lavoro di Fred Hoyle all'indomani della seconda guerra mondiale. La teoria di Hoyle conteneva alcune differenze significative rispetto alla teoria attuale, in particolare che non credeva nella teoria del big bang ma invece che l'idrogeno veniva continuamente creato nel nostro universo. (Questa teoria alternativa fu chiamata teoria dello stato stazionario e cadde in disgrazia quando fu rilevata la radiazione cosmica di fondo a microonde).

Le prime stelle

Il tipo più semplice di atomo nell'universo è un atomo di idrogeno, che contiene un singolo protone nel nucleo (possibilmente anche con alcuni neutroni in sospeso) con elettroni che circondano quel nucleo. Si ritiene che questi protoni si siano formati quando l'energia incredibilmente alta plasma al quark-gluone del primissimo universo perse abbastanza energia che i quark iniziarono a legarsi insieme per formare protoni (e altri adroni, come i neutroni). L'idrogeno si formò praticamente all'istante e persino l'elio (con nuclei contenenti 2 protoni) si formò in un ordine relativamente breve (parte di un processo chiamato nucleosintesi del Big Bang).

Mentre l'idrogeno e l'elio cominciavano a formarsi nell'universo primordiale, c'erano alcune aree in cui era più densa che in altre. La gravità prese il sopravvento e alla fine questi atomi furono riuniti in enormi nuvole di gas nella vastità dello spazio. Una volta che queste nuvole sono diventate abbastanza grandi, sono state attratte dalla gravità con una forza sufficiente a far fondere i nuclei atomici, in un processo chiamato fusione nucleare. Il risultato di questo processo di fusione è che i due atomi a un protone hanno ora formato un singolo atomo a due protoni. In altre parole, due atomi di idrogeno hanno iniziato un singolo atomo di elio. L'energia rilasciata durante questo processo è ciò che fa bruciare il sole (o qualsiasi altra stella).

Ci vogliono quasi 10 milioni di anni per bruciare l'idrogeno e poi le cose si riscaldano e l'elio inizia a fondersi. La nucleosintesi stellare continua a creare elementi sempre più pesanti fino a quando non si finisce con il ferro.

Creazione degli elementi più pesanti

La combustione dell'elio per produrre elementi più pesanti continua quindi per circa 1 milione di anni. In gran parte, viene fuso nel carbonio attraverso il processo triplo alfa in cui vengono trasformati tre nuclei di elio-4 (particelle alfa). Il processo alfa quindi combina l'elio con il carbonio per produrre elementi più pesanti, ma solo quelli con un numero pari di protoni. Le combinazioni vanno in questo ordine:

1. Il carbonio più l'elio produce ossigeno.
2. L'ossigeno più l'elio produce neon.
3. Neon plus elio produce magnesio.
4. Il magnesio più elio produce silicio.
5. Il silicio più l'elio produce zolfo.
6. Zolfo più elio produce argon.
7. L'argon più l'elio produce calcio.
8. Il calcio più elio produce titanio.
9. Il titanio più l'elio produce cromo.
10. Il cromo più l'elio produce ferro.

Altre vie di fusione creano gli elementi con un numero dispari di protoni. Il ferro ha un nucleo così strettamente legato che non c'è ulteriore fusione una volta raggiunto quel punto. Senza il calore della fusione, la stella collassa ed esplode in un'onda d'urto.

Il fisico Lawrence Krauss nota che ci vogliono 100.000 anni perché il carbonio bruci in ossigeno, 10.000 anni affinché l'ossigeno bruci nel silicio e un giorno il silicio bruci nel ferro e preannunci il crollo della stella.

L'astronomo Carl Sagan nella serie TV "Cosmos" ha osservato: "Siamo fatti di materiale stellare". Krauss concordò, affermando che "ogni atomo nel tuo corpo era una volta dentro una stella che esplodeva ... Gli atomi nella tua mano sinistra probabilmente provenivano da una stella diversa rispetto alla tua destra, perché 200 milioni di stelle sono esplose per costituire gli atomi nella tua corpo."