Origine degli elementi

L’origine degli elementi: tutta polvere di stelle

Abbiamo visto nella prima parte di questo articolo sull’origine degli elementi che i nuclei più leggeri sono stati creati durante le primissime fasi di vita dell’Universo, ma abbiamo anche imparato come non sia stato possibile andare al di là del berillio a causa di un eccessivo raffreddamento dell’ambiente cosmico. Ma allora quando e dove si sono formati tutte le altre decine e decine di elementi di cui è composta la tavola periodica?

Come avevamo anticipato, la risposta è nelle stelle. In realtà, non in tutte le stelle, ma soltanto in quelle che hanno una massa pari ad almeno una ventina di volte quella del nostro Sole.

Una stella, infatti, è tale proprio perché al suo interno avvengono di continuo reazioni termonucleari spontanee. La prima reazione che si innesca, e che fa meritare a una nube di gas interstellare il nome di “stella”, è la fusione di quattro nuclei di idrogeno a produrre elio-4. Questi processi garantiscono alla stella un’esistenza piuttosto stabile per alcuni miliardi di anni, fino al momento in cui i nuclei di idrogeno si esauriscono e il nucleo della stella è ormai quasi totalmente composto di nuclei di elio. A questo punto, non avendo più idrogeno da bruciare, il nucleo della stella comincerà a contrarsi fino a raggiungere condizioni di temperatura e pressione favorevoli alla fusione dell’elio: inizia così la sintesi del carbonio, dopodiché si susseguono reazioni di fusione sempre più complesse che, a seconda della massa iniziale della stella, possono proseguire fino alla produzione di nuclei di ferro.

origine degli elementi esplosione

Il ferro costituisce un vero e proprio spartiacque: gli elementi oltre il ferro non possono formarsi all’interno delle fucine stellari perché le reazioni che li creano non avvengono spontaneamente e richiedono invece quantità di energia esorbitanti (anche rispetto agli ordini di grandezza tipici del nucleo di una stella). Per poter proseguire, e innescare reazioni dai nomi esotici come cattura neutronica o processo S, deve avvenire una cosiddetta esplosione di supernova: il nucleo della stella collassa su se stesso (un po’ come era successo all’epoca dell’esaurimento dell’idrogeno) e si forma un gigantesco ammasso di neutroni estremamente compressi; ma la pressione a cui è soggetto l’ammasso è eccessiva, ed ecco che dopo poco questo mezzo iper denso si distende, provocando un’onda d’urto che disperde gli strati superficiali della stella e genera un’intensa emissione luminosa (un miliardo di volte più intensa della luce del Sole).

Supernova - origine degli elementi

Lasciando perdere il destino della stella (piuttosto rocambolesco), la cosa che ci interessa in questa sede è la seguente: le energie in gioco durante la fase di esplosione sono tali da consentire l’elaborazione degli elementi che vanno dal nichel all’uranio, passando dall’oro al piombo al promezio. In aggiunta, sempre grazie all’esplosione, tutti questi elementi, insieme a quelli generati in precedenza, vengono dispersi nel mezzo interstellare.

Questi processi alla base dell’origine degli elementi vanno sotto il nome, molto poco poetico, di nucleosintesi stellare. Ovviamente, perché di elemento e non di nucleo si possa parlare, al nucleo deve “attaccarsi” il numero adeguato di elettroni, ma grazie all’attrazione elettrostatica questo non è esattamente un problema.

Origine degli elementi tavola periodica

Come mostra la tavola periodica dell’origine degli elementi, che ho realizzato io e di cui vado particolarmente fiera, c’è in realtà qualche eccezione rispetto ai processi appena descritti: alcuni elementi più pesanti del ferro sono prodotti già nelle stelle, prima delle esplosioni di supernova, e alcuni addirittura in stelle poco massive, mentre altri (litio, berillio, boro), provengono dai raggi cosmici. Dettagli a parte, la cosa veramente importante è che, idrogeno a parte, l’origine stellare accomuna tutti gli elementi della tavola periodica, anche quelli creati dall’uomo; dopotutto è anch’esso costituito di elementi chimici, e in particolare di carbonio.

Il carbonio, oltre a essere uno degli elementi più abbondanti nell’Universo con l’idrogeno, l’elio e l’ossigeno, è cruciale nella generazione della vita. Da un lato, infatti, la vita – se non altro la vita così come noi la conosciamo sulla Terra – è basata sulle molecole di carbonio, come approfondiremo meglio in un’altra occasione.

Dall’altro, cosa forse ancora più importante, le reazioni di fusione che generano il carbonio sono molto lente, e come abbiamo visto, nelle sue primissime fasi di vita, l’Universo si è raffreddato troppo velocemente per lasciar loro il tempo di innescarsi. Ma questo è un bene perché, se così non fosse stato, i processi di nucleosintesi primordiale si sarebbero susseguiti a dare un Universo in cui tutti i nuclei atomici sono nuclei di ferro. E se questa fosse stata l’origine degli elementi, oggi sicuramente l’Universo sarebbe un posto molto, molto diverso.

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