Cosmologia – 17 – Chi sono i figli delle stelle?

I primi tre minuti è un libro di Steven Weinberg, fisico americano, premio Nobel 1979. Pubblicato nel 1977, racconta la nascita dell’universo, a partire dall’istante zero: il big bang. E’ un libro che non ha ancora perso il suo fascino, nonostante i 37 anni e passa trascorsi dalla sua prima edizione.

Nei primi tre minuti, a mano a mano che il “brodo” primordiale si raffreddava dai 100 miliardi di gradi iniziali, sono venuti ad esistenza tre elementi che trovate ancora nella tavola periodica ai primi tre posti: idrogeno, elio e litio.

Oggi questa tavola è composta di 118 “blocchi”: ciascuno rappresenta un elemento. Novantadue sono detti “naturali” perché li trovate, appunto, in natura: sul pianeta Terra. Gli altri, a partire dal nettunio, numero atomico 93, per finire al 118, l’ununoctio (o eka-radon), sono stati creati in laboratorio. In particolare l’ultimo fu scoperto da un team americano-russo  usando il ciclotrone di Dubna, fra il febbraio e il giugno del 2005, per bombardare con l’isotopo 48 del calcio (numero atomico 20) un bersaglio costituito da atomi di californio, numero atomico 98.

L’esperimento ebbe un successo clamoroso: furono prodotti ben tre atomi di Uuo.

Un altro giorno parleremo di “numeri magici” associati alla tavola degli elementi, di “isole di stabilità”, di vita media, e di come in laboratorio si possa, qualche volta, creare le condizioni primordiali dell’universo in prossimità della sua nascita. Il che equivale, in certo senso, ad essere testimoni della “creazione” intesa in senso scientifico: un universo che diventa realtà in un istante che, per definizione, non può che essere l’istante zero del tempo.

Occupiamoci di un altro problema. Sapete che (ve l’ho detto prima io) a partire del numero atomico 93, gli elementi della tavola periodica sono “artificiali”, cioè creati dall’uomo. E che il big bang produsse, “naturalmente”, solo i primi tre.

Domanda: da dove vengono gli altri 89 elementi naturali? Carbonio, ossigeno, ferro, azoto… come e, soprattutto, dove si sono formati?

Guardate in su e troverete la risposta. La disciplina che studia il problema come parte di un tema più generale è l’astrofisica. Le stelle si formano a partire da gas interstellari i quali, raggruppandosi per una qualche ragione esterna (intense radiazioni ultraviolette, onde d’urto generate dall’esplosione di altre stelle, ecc) diventano sufficientemente dense da generare una forza di gravità sempre più forte, e dunque sempre più in grado di attirare nuove particelle. Che, negli stadi iniziali del processo, sono  costituite soprattutto da idrogeno e da elio.

Quando temperatura e pressione diventano sufficientemente elevate, si creano le condizioni per il fenomeno di fusione nucleare.  A questo punto, la stella è nata. Come ogni cosa venuta ad esistenza, seguirà un processo evolutivo che la porterà ad “invecchiare” ed infine a “morire”.

Il processo di fusione nucleare all’interno delle stelle è detto “nucleosintesi”. E’ affascinante, perché spiega perché, infine, partendo da soli tre elementi, idrogenio elio e litio, da qualche parte dell’universo gli elementi che a mano a mano si formano all’interno delle stelle vengano espulsi quando la stella muore. Essi, da qualche altra parte, incontreranno condizioni (gravità) per  coagularsi a formare pianeti. E’ così che si è formata la Tera.  Dopo qualche altro miliardo di anni, quella specie biologica che risponde al nome di homo sapiens sapiens vede la luce. E, pare, sia accaduto solo da noi? Perché? Risposta: leggere Cosmologia 4.

Carbonio, ossigeno, azoto, ferro e pochi altri sono gli elementi costitutivi basici di ciò che va sotto il nome di vita organica o biologica. Senza il carbonio, comunque, numero atomico 6, la vita non esisterebbe nella forma che la conosciamo. Per crearlo, occorrono condizioni particolari di temperatura e pressione, tali per cui una tripla collisione di nuclei di elio (numero atomico 2) è necessaria per formare un nuovo nucleo, stabile, di numero atomico 6, cioè un nucleo di carbonio.

L’ossigeno, altro componente fondamentale, tra l’altro il più diffuso componente della crosta terrestre, ha un’origine similare.

A mano a mano che una stella brucia il suo combustibile, va producendo, con meccanismi estremamente complessi, alcuni studiati in laboratorio, altri ipotizzati solamente (e per i quali il NIF diventerà lo strumento per le verifiche), gli elementi “naturali” che troviamo nella tavola periodica ed i relativi isotopi. Ad un certo punto, la stella somiglia ad una cipolla. Ha degli strati di materiali a numero e peso atomico crescente vento il centro. Idrogeno e elio, elio e azoto, ossigeno neon e magnesio, per arrivare infine al nucleo fatto di ferro e nichel. Nella figura, una stella rossa gigante.

Arriva però il momento in cui il meccanismo che tiene in vita una stella non funziona più. Dipendendo dalla massa, si possono verificare due tipi di “morte”, entrambe violente. La prima va sotto il nome di supernova. In questo caso, trattasi di stelle piccole (nane bianche) che, attirando particelle e aumentando la propria massa oltre il punto di equilibrio, esplodono per causa di una reazione termonucleare incontrollata.

L’altra morte è il collasso gravitazionale.  In questo caso, la stella esaurisce il proprio “combustibile”, nel senso che non è più capace di generare, tramite le reazioni di fusione, le temperature e dunque le pressioni che servono a mantenere l’equilibrio con la propria gravità. A questo punto, c’è una contrazione violenta, con pressioni sempre in aumento. Il processo dura pochi secondi. Dopo, una potente esplosione genera un’onda d’urto che si propaga per l’intera massa e la disperde in tutte le direzioni.

Ecco dunque che carbonio, ossigeno, ferro, ecc., cominciano il proprio viaggio attraverso l’universo. Da qualche parte, e per ragioni e con meccanismi che racconteremo un’altra volta, questi pezzi vaganti si raggruppano, e formano pianeti di vario tipo. Uno di questi è la Terra, vecchia di quasi 5 miliardi di anni.

Siamo dunque figli delle stelle? Sì. Nel senso che loro contengono l’orto cosmico dove sono nati gli elementi alla base del piatto che chiamiamo vita. Ma la ricetta della pietanza e la cottura sono avvenute altrove, e non sappiamo bene come, dove e quando.

E’ da un po’ che siamo alla ricerca del cuoco e della cucina della vita. Uno scienziato italiano, Ernesto di Mauro, ed i suoi collaboratori, hanno scoperto un indizio che, se non proprio al cuoco, ci condurrà (forse) fin dentro la cucina.