Guardate un anello d'oro. Gli atomi di cui è fatto non sono nati sulla Terra, né nel Sole. Sono stati forgiati miliardi di anni fa in uno degli eventi più violenti dell'universo: lo scontro tra due stelle di neutroni. Questo tipo di esplosione ha un nome, kilonova, e nel 2017 gli astronomi sono riusciti a osservarne una per la prima volta, confermando un'ipotesi che circolava da decenni.
Da dove vengono gli elementi
Subito dopo il Big Bang l'universo conteneva quasi solo idrogeno ed elio, con una traccia di litio. Tutti gli altri elementi sono stati prodotti in seguito, dentro le stelle. Nel nucleo delle stelle la fusione nucleare unisce gli atomi leggeri per formarne di più pesanti: dall'idrogeno all'elio, poi carbonio, ossigeno, fino al ferro. Oltre il ferro, però, la fusione non produce più energia, e servono altri meccanismi.
Gli elementi più pesanti del ferro si formano soprattutto catturando neutroni. Un atomo cattura neutroni, diventa instabile, alcuni neutroni si trasformano in protoni e l'atomo diventa un elemento più pesante. Per produrre gli elementi più pesanti di tutti, come oro, platino e uranio, serve un processo rapidissimo, chiamato processo r, in cui gli atomi vengono bombardati da una quantità enorme di neutroni in pochi secondi. Serve un ambiente estremo, ricchissimo di neutroni. Per molto tempo si è pensato che fossero le supernove; oggi sappiamo che una delle fonti principali sono le kilonove.
Lo scontro tra stelle di neutroni
Le stelle di neutroni sono i nuclei collassati di stelle massicce esplose come supernove: sfere di circa 20 chilometri di diametro con una massa superiore a quella del Sole, fatte quasi interamente di neutroni. Alcune di esse sono le pulsar. Quando due stelle di neutroni orbitano una attorno all'altra in un sistema binario, perdono lentamente energia emettendo onde gravitazionali, si avvicinano a spirale e alla fine si scontrano.
Nello scontro, una parte della materia viene espulsa a velocità altissime. È materia fatta di neutroni, l'ambiente perfetto per il processo r. In pochi secondi si formano enormi quantità di elementi pesanti, che poi, decadendo radioattivamente, fanno brillare la nube per giorni. Questa luce è la kilonova: il nome indica che è circa mille volte più luminosa di una nova, anche se molto meno di una supernova.
17 agosto 2017
Il 17 agosto 2017 gli osservatori di onde gravitazionali LIGO, negli Stati Uniti, e Virgo, vicino a Pisa, registrarono un segnale diverso da quelli visti fino ad allora, prodotti da buchi neri: un "cinguettio" lungo circa cento secondi, tipico di due oggetti più leggeri che si avvicinano. Circa 1,7 secondi dopo, i satelliti Fermi e INTEGRAL rilevarono un breve lampo di raggi gamma dalla stessa zona di cielo.
In poche ore, decine di telescopi in tutto il mondo si puntarono nella regione indicata e trovarono un nuovo punto luminoso nella galassia NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce. Era la kilonova. L'evento, chiamato GW170817, fu il primo osservato sia con le onde gravitazionali sia con la luce, e segnò l'inizio della cosiddetta astronomia multimessaggero. Un contributo fondamentale arrivò da ricercatori italiani, tra cui quelli dell'INAF e dell'INFN.
Oro per diverse masse terrestri
Gli spettri della kilonova mostrarono le tracce di elementi pesanti appena formati. Nel 2019 un gruppo di ricercatori identificò con certezza lo stronzio, un elemento prodotto dal processo r. Le stime indicano che lo scontro ha prodotto una quantità di elementi pesanti pari a diverse masse terrestri, tra cui oro e platino in quantità enormi.
Sempre nel 2019 uno studio pubblicato su Nature ha calcolato che una frazione degli elementi pesanti presenti nel Sistema solare potrebbe venire da un singolo scontro tra stelle di neutroni avvenuto relativamente vicino, circa 100 milioni di anni prima della formazione del Sole. Quando la nube di gas che avrebbe dato origine al Sole e ai pianeti si contrasse, conteneva già quegli atomi.
Siamo polvere di stelle
La frase di Carl Sagan, "siamo fatti di materia stellare", è letteralmente vera. Il carbonio delle nostre cellule e l'ossigeno che respiriamo sono stati prodotti nelle stelle; il ferro del sangue viene in gran parte dalle supernove; l'oro, l'argento e lo iodio della tiroide vengono in parte dagli scontri tra stelle di neutroni. La storia di Sagan e del suo modo di raccontare il cosmo è nell'articolo Carl Sagan, la voce del Cosmo.
Come funzionano i rivelatori che hanno "ascoltato" questi scontri è raccontato nell'articolo sulle onde gravitazionali.
Anche la polvere che riempie lo spazio tra le stelle, da cui si formano pianeti e comete, ha origini diverse, come racconta l'articolo sulla doppia origine della polvere cosmica. Per approfondire si può consultare la voce Kilonova su Wikipedia in inglese. Altri articoli si trovano nella sezione Astronomia.
