nucleo atomico, può dividere quel nucleo in un processo noto come spallazione. Questo è il modo travolgente in cui l’Universo, una volta raggiunta l’età delle stelle, produce nuovo litio, berillio e boro. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Se tu prendessi ogni elemento della tavola periodica e lo ordinassi in base a quanto è abbondante nell’Universo, troveresti qualcosa di un po’ sorprendente. L’elemento più comune è l’idrogeno, che compone quasi tre quarti dell’Universo per massa. A circa un quarto c’è l’elio, prodotto principalmente nelle prime fasi del caldo Big Bang, ma anche prodotto dalla fusione nucleare che avviene nella maggior parte delle stelle, compreso il nostro Sole.
Oltre a questo c’è l’ossigeno al terzo posto, il carbonio al quarto, seguito da vicino da neon, azoto, ferro, magnesio e silicio, che sono tutti prodotti all’interno di stelle roventi, massicce e giganti. In generale, gli elementi più pesanti sono rari e gli elementi leggeri sono abbondanti, ma ci sono tre grandi eccezioni: litio, berillio e boro. Eppure questi tre elementi sono il 3°, 4° e 5° più leggero di tutti. Ecco la storia cosmica del perché sono così rari.
oggi, come misurato per il nostro sistema solare. Nonostante siano il 3°, 4° e 5° elemento più leggero di tutti, le abbondanze di litio, berillio e boro sono molto inferiori a tutti gli altri elementi vicini nella tavola periodica. MHz’as/Wikimedia Commons (immagine); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (dati)
Nel periodo immediatamente successivo al caldo Big Bang, i primi nuclei atomici si formarono da un mare ultra-energetico di quark, leptoni, fotoni, gluoni e antiparticelle. Quando l’universo si raffreddò, le antiparticelle si annichilirono, i fotoni cessarono di essere abbastanza energetici da far esplodere i nuclei legati, e così i protoni e i neutroni del primo universo iniziarono a fondersi insieme. Se potessimo creare gli elementi pesanti che si trovano sul pianeta Terra, l’Universo avrebbe potuto essere pronto per la vita dal momento in cui sono nate le prime stelle.
Purtroppo per i nostri sogni di Universo nato con gli ingredienti necessari per la vita, i fotoni rimangono troppo energetici per formare anche il più semplice nucleo pesante – il deuterio, con un protone e un neutrone legati insieme – fino a più di tre minuti dal Big Bang. Nel momento in cui le reazioni nucleari possono procedere, l’Universo è solo un miliardo di volte più denso del centro del Sole.
elio-3 e litio-7 come previsto dalla Nucleosintesi del Big Bang, con le osservazioni indicate nei cerchi rossi. Notate il punto chiave qui: una buona teoria scientifica (Big Bang Nucleosynthesis) fa previsioni robuste e quantitative per ciò che dovrebbe esistere ed essere misurabile, e le misure (in rosso) si allineano straordinariamente bene con le previsioni della teoria, validandola e vincolando le alternative. Le curve e la linea rossa sono per 3 specie di neutrini; un numero maggiore o minore porta a risultati che contrastano gravemente con i dati, in particolare per deuterio ed elio-3. NASA / WMAP Science Team
Questo è ancora un buon affare, in quanto ci dà un Universo fatto di circa il 75% di idrogeno, 25% di elio-4, circa 0,01% di deuterio ed elio-3 ciascuno, e circa 0,0000001% di litio. Questa piccola quantità di litio è ciò che esisteva prima che si formassero le stelle nell’Universo, e questa è una cosa molto, molto buona per noi, perché il litio è un elemento piuttosto importante per molte applicazioni, tecnologie e anche funzioni biologiche qui sulla Terra, anche negli esseri umani.
Ma una volta che si iniziano a formare le stelle, tutto cambia. Sì, una volta che si raggiungono densità stellari e temperature che superano i 4 milioni di K, si inizia a fondere l’idrogeno in elio; il nostro Sole è impegnato a farlo proprio ora. I processi nucleari che avvengono cambiano letteralmente l’Universo. Solo che non cambiano le cose solo nel modo in cui vorremmo, ma anche in una direzione inaspettata.
della catena protone-protone, che produce elio-4 dall’idrogeno iniziale. Questo è il processo nucleare che fonde l’idrogeno in elio nel Sole e in tutte le stelle simili. Wikimedia Commons user Sarang
Quando si forma una stella, non è solo l’idrogeno a raggiungere quelle temperature astronomicamente elevate, ma tutte le particelle al suo interno. Sfortunatamente per il litio, queste temperature sono più che sufficienti per farlo esplodere. Il litio è stato uno degli elementi più notoriamente difficili da misurare nell’Universo soprattutto per questo motivo: quando siamo arrivati ai giorni nostri e possiamo estrarre in modo affidabile un segnale di litio, molto di ciò con cui l’Universo è iniziato è già stato distrutto.
“Aspetta”, ti sento obiettare. “L’Universo è chiaramente pieno di questi elementi pesanti: carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e tutti gli elementi necessari alla vita, fino alla tavola periodica dell’uranio e anche oltre. Sicuramente ci deve essere un modo per produrli, giusto?”
In effetti, hai ragione.
Gli elementi più pesanti dell’idrogeno possono darci una potente finestra sul passato dell’Universo, così come una comprensione delle nostre stesse origini. Tuttavia, ogni elemento fatto oltre il litio non può essere arrivato a noi dai primi tempi dell’Universo, ma deve essere creato più tardi. Wikimedia Commons user Cepheus
Quando ogni stella abbastanza massiccia (compreso il nostro Sole) brucia tutto l’idrogeno nel suo nucleo, la fusione nucleare rallenta e si ferma. All’improvviso, la pressione delle radiazioni che teneva l’interno della stella contro il collasso gravitazionale comincia a diminuire, e il nucleo comincia a restringersi.
In fisica, quando un qualsiasi sistema di materia si comprime rapidamente rispetto a una certa scala temporale, si riscalda. All’interno delle stelle, un nucleo prevalentemente di elio può raggiungere temperature così estreme che la fusione nucleare dell’elio in carbonio può iniziare, attraverso una speciale reazione nucleare nota come processo triplo-alfa. In stelle come il Sole, il carbonio è la fine, e l’unico modo per formare elementi più pesanti è la produzione di neutroni, che può farti salire molto lentamente nella tavola periodica.
Una volta che la fusione dell’elio ha fatto il suo corso, gli strati esterni della stella saranno espulsi in una nebulosa planetaria mentre il nucleo si restringe per formare una nana bianca.
e orientamenti a seconda delle proprietà del sistema stellare da cui nascono, e sono responsabili di molti degli elementi pesanti nell’Universo. Le stelle supergiganti e le stelle giganti che entrano nella fase di nebulosa planetaria hanno entrambe dimostrato di costruire molti elementi importanti della tavola periodica attraverso il processo s. NASA, ESA, e The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Ma ci sono stelle molto più massicce di questa, capaci di subire la fusione del carbonio mentre il nucleo si contrae ancora di più. Le stelle in cui questo avviene fondono il carbonio in ossigeno, l’ossigeno in neon, il neon in magnesio, e così via fino a creare silicio, zolfo, argon, calcio ed elementi fino a ferro, nichel e cobalto. Quando hanno finalmente esaurito il carburante utile, terminano la loro vita in un evento cataclismico noto come supernova.
Queste supernovae sono responsabili di una grande frazione di molti degli elementi più pesanti dell’Universo, mentre altri eventi come le fusioni tra nane bianche e nane bianche o tra stelle di neutroni e stelle di neutroni producono il resto. Tra le stelle che terminano la loro vita in nebulose planetarie o supernovae, così come le fusioni dei loro resti, possiamo spiegare la stragrande maggioranza degli elementi che si trovano in natura.
vita, culminando in una supernova di tipo II quando il nucleo esaurisce il carburante nucleare. Lo stadio finale della fusione è tipicamente la combustione del silicio, che produce ferro ed elementi simili al ferro nel nucleo solo per un breve periodo prima che si verifichi una supernova. Molti dei resti di supernova porteranno alla formazione di stelle di neutroni, che possono produrre le maggiori abbondanze di elementi più pesanti di tutti. Nicole Rager Fuller/NSF
Tra i seguenti meccanismi:
- il Big Bang,
- le stelle che bruciano l’idrogeno,
- le stelle che bruciano l’elio (complete di emissione e assorbimento di neutroni),
- le stelle che bruciano il carbonio e oltre (complete della loro fine in supernove di tipo II),
- le fusioni di nane bianche (che producono supernovae di tipo Ia),
- e le fusioni di stelle di neutroni (che producono kilonovae e la maggior parte degli elementi più pesanti),
possiamo spiegare praticamente tutti gli elementi che troviamo nell’Universo. Ci sono un paio di elementi instabili che vengono saltati – tecnezio e promezio – perché decadono troppo rapidamente. Ma tre degli elementi più leggeri hanno bisogno di un nuovo metodo, perché nessuno di questi meccanismi crea berillio o boro, e la quantità di litio che vediamo non può essere spiegata solo dal Big Bang.
hanno origine, sono dettagliate in questa immagine sopra. Mentre la maggior parte degli elementi hanno origine principalmente nelle supernovae o nelle stelle di neutroni che si fondono, molti elementi di vitale importanza sono creati, in parte o anche in gran parte, nelle nebulose planetarie, che non nascono dalla prima generazione di stelle. NASA/CXC/SAO/K. Divona
L’idrogeno si fonde in elio, e l’elio è l’elemento #2. Ci vogliono tre nuclei di elio per fondersi insieme in carbonio, dove il carbonio è l’elemento #6. Ma che dire di quei tre elementi in mezzo? E il litio, il berillio e il boro?
A quanto pare, non ci sono processi stellari che producano questi elementi in quantità sufficiente senza distruggerli quasi altrettanto rapidamente, e c’è una buona ragione fisica per questo. Se si aggiungesse idrogeno all’elio, si creerebbe litio-5, che è instabile e decade quasi immediatamente. Si potrebbe provare a fondere insieme due nuclei di elio-4 per creare berillio-8, che è anche instabile e decade quasi immediatamente. Infatti, tutti i nuclei con massa 5 o 8 sono instabili.
Non si possono fare questi elementi da reazioni stellari che coinvolgono elementi leggeri o pesanti; non c’è proprio modo di farli nelle stelle. Eppure litio, berillio e boro non solo esistono, ma sono essenziali per i processi vitali qui sulla Terra.
cellula, con molte delle strutture familiari al suo interno, comprese le pareti cellulari primarie e secondarie. L’elemento boro è assolutamente essenziale per la vita come la conosciamo sulla Terra. Senza boro, le pareti cellulari delle piante non esisterebbero. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Questi elementi, invece, devono la loro esistenza alle fonti di particelle più energetiche dell’Universo: pulsar, buchi neri, supernove, kilonovae e galassie attive. Questi sono gli acceleratori di particelle naturali noti dell’Universo, che vomitano particelle cosmiche in tutte le direzioni della galassia e anche attraverso le vaste distanze intergalattiche.
Le particelle energetiche prodotte da questi oggetti ed eventi si muovono in tutte le direzioni e alla fine si scontrano con un’altra particella di materia. Se quella particella che colpisce risulta essere un nucleo di carbonio (o più pesante), le alte energie della collisione possono causare un’altra reazione nucleare che fa esplodere il nucleo più grande, creando una cascata di particelle di massa inferiore. Proprio come la fissione nucleare può dividere un atomo in elementi più leggeri, la collisione di un raggio cosmico con un nucleo pesante può similmente far esplodere queste particelle pesanti e complesse.
Il buco nero supermassiccio al centro del disco di accrescimento invia un getto stretto e ad alta energia di materia nello spazio, perpendicolarmente al disco di accrescimento del buco nero. Eventi e oggetti come questo possono creare particelle cosmiche enormemente accelerate, che possono scontrarsi con nuclei atomici pesanti e farli esplodere in componenti più piccoli. DESY, Science Communication Lab
Quando si schianta una particella ad alta energia contro un nucleo massiccio, il grande nucleo si divide in una varietà di particelle componenti. Questo processo, noto come spallazione, è il modo in cui la maggior parte del litio, del berillio e del boro si sono formati nel nostro universo. Questi sono gli unici elementi nell’Universo che si sono formati principalmente da questo processo, piuttosto che da stelle, resti stellari o dal Big Bang stesso.
Quando si guarda a quanto sono abbondanti tutti gli elementi che conosciamo, c’è una scarsità superficialmente sorprendente del terzo, quarto e quinto elemento più leggero di tutti. C’è un enorme abisso tra l’elio e il carbonio, e finalmente sappiamo perché. L’unico modo per produrre queste rarità cosmiche è una collisione casuale di particelle che attraversano l’universo, ed è per questo che c’è solo qualche miliardesimo della quantità di questi elementi rispetto a carbonio, ossigeno ed elio. La spallazione di raggi cosmici è l’unico modo per produrli una volta che siamo entrati nell’era delle stelle, e miliardi di anni dopo, anche questi oligoelementi sono essenziali per il libro della vita.
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