Dall'invenzione della tavola periodica 150 anni fa questo mese, gli scienziati hanno lavorato per riempire le righe di elementi e dare un senso alle loro proprietà.

Ma i ricercatori hanno anche perseguito una ricerca parallela:perlustrare il cosmo per capire da dove provenissero tutti i 118 elementi.

Dopo secoli di sforzi, hanno determinato che la stragrande maggioranza degli elementi è stata forgiata nelle vite infuocate e nelle strane morti delle stelle. Ora pervadono le galassie, infondendo la prossima generazione di stelle e pianeti con diversità chimica.

Infatti, ogni elemento sulla Terra, tranne alcuni prodotti di recente dall'uomo, è stato ereditato dalla nebulosa che ha dato vita al nostro sistema solare 4,5 miliardi di anni fa. Ciò include il ferro nei nostri grattacieli, il silicio nei nostri computer, l'oro dei nostri gioielli, e il calcio nelle nostre ossa.

"C'è una vera connessione tra la nostra galassia, il nostro universo, e la nostra umanità a causa degli elementi". disse John Cowan, un astrofisico presso l'Università dell'Oklahoma.

Quindi come ha fatto la natura a riempire la tavola periodica? La storia inizia dall'inizio.

Il vero inizio.

Entro 15 minuti dal Big Bang, atomi di idrogeno (numero atomico 1) si unirono alla nube di particelle appena nate mentre si espandeva e si raffreddava. Alcuni di loro si combinarono rapidamente per produrre elio (numero atomico 2).

Questi due elementi costituiscono ancora il 98 percento dell'universo, e sono gli ingredienti primari nelle stelle. Un'astronoma pionieristica di nome Cecilia Payne-Gaposchkin lo scoprì quando pubblicò la prima stima accurata della composizione del sole nel 1925, ribaltando la convinzione prevalente che fosse simile a quella terrestre.

Le primissime stelle si sono formate circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang, ha detto Jennifer Johnson, un astronomo della Ohio State University che ha scritto una recensione sulle origini elementari nel numero di Science di venerdì per celebrare il centocinquantesimo della tavola periodica.

Queste stelle erano enormi, e per milioni di anni, hanno generato energia "bruciando" l'idrogeno, combinando gli atomi in elio attraverso la fusione nucleare come fa oggi il sole.

Infine, però, tutte le stelle esauriscono l'idrogeno. Poi iniziano a realizzare elementi sempre più pesanti a un ritmo sempre più frenetico, popolando le successive tre righe della tavola periodica nel processo.

Per un po, bruciano l'elio in carbonio (numero atomico 6) e ossigeno (numero atomico 8). Negli ultimi secoli della vita di una stella massiccia, converte il carbonio in elementi come sodio (numero atomico 11) e magnesio (numero atomico 12).

Nelle ultime settimane, gli atomi di ossigeno si fondono in silicio (numero atomico 14), fosforo (numero atomico 15), e zolfo (numero atomico 16). E negli ultimissimi giorni della lunghissima vita di una stella, produce metalli come il ferro (numero atomico 26).

C'è qualcosa di meravigliosamente prosaico in questo, ha detto Johnson. "Questa è una scala temporale umana."

Poi viene quella che gli astronomi chiamano minacciosamente la "catastrofe di ferro". La fusione non può combinare elementi più pesanti del ferro, così la stella esaurisce improvvisamente il succo.

"Va in caduta libera, " ha detto Johnson.

In meno di un secondo, la stella collassa su se stessa e poi esplode come una supernova, vomitando i suoi elementi appena coniati nell'universo.

Le supernovae possono anche scatenare raggi cosmici che rompono atomi più grandi per creare litio (numero atomico 3), berillio (numero atomico 4) e boro (numero atomico 5). Questo processo è la fonte principale di questi elementi nell'universo.

Che gli elementi fino al ferro fossero cotti nelle stelle è stato più o meno stabilito per decenni, grazie al lavoro dell'astronomo britannico Fred Hoyle. Le origini del resto degli elementi sono state più difficili da definire.

L'inizio di una risposta arrivò in un documento storico del 1957 scritto dall'astronoma del Caltech Margaret Burbidge e suo marito, Giorgio, insieme a Hoyle e un altro eminente scienziato, William Fowler. (La carta, che inizia con le riflessioni di Shakespeare sulle stelle, da allora è diventato così famoso che gli scienziati lo chiamano semplicemente B2FH, per le iniziali dei suoi autori.)

Gli elementi pesanti si formano quando un atomo-seme come il carbonio o il ferro viene bombardato da neutroni e li cattura nel suo nucleo.

"Li ingoia tutti, " disse Anna Frebel, un astronomo al MIT. "Allora la domanda è piace o no? E di solito, non lo fa." Quindi l'atomo subisce un decadimento radioattivo, e alla fine emerge come un elemento più pesante e più stabile.

B2FH ha illustrato la fisica su come questo processo potrebbe avvenire rapidamente o lentamente.

Un candidato ovvio per il processo rapido era il caos di una supernova. Ma negli ultimi anni, gli scienziati hanno iniziato a mettere in discussione questa idea. "Probabilmente non c'è abbastanza grinta nemmeno in un'enorme esplosione di supernova per creare tutti questi elementi, " disse Frebel.

Alcune delle prove provengono dalla ricerca di Frebel su una piccola galassia che conteneva cumuli di oro e altri elementi pesanti. Se fossero stati tutti il ​​risultato di supernovae, ce ne sarebbero voluti così tanti che "farai esplodere la galassia, " lei disse.

Anziché, gli scienziati hanno iniziato a favorire un fenomeno diverso:le fusioni tra stelle di neutroni.

Le stelle di neutroni sono sfere ultra dense lasciate dopo la morte di stelle massicce. Possono avere diametri fino a 12 miglia e masse fino a 2,5 volte quella del sole. Occasionalmente, due di loro vengono rinchiusi in un tango mortale, a spirale l'uno verso l'altro fino a quando non si scontrano.

Queste fusioni rilasciano una pioggia di neutroni abbastanza intensa da creare gli elementi più pesanti dell'universo, come l'uranio (numero atomico 92) e il plutonio (numero atomico 94).

Questa idea è stata rafforzata nel 2017, quando il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ha rilevato per la prima volta una collisione di una stella di neutroni. I ricercatori hanno studiato la luce dell'esplosione e hanno trovato le impronte digitali rivelatrici di elementi pesanti, compreso l'oro.

Gli scienziati devono ancora chiarire i ruoli relativi delle fusioni di superova e stelle di neutroni. Ma Frebel ha detto che gli scienziati si stanno avvicinando alla comprensione della fonte di ogni elemento.

"L'ultimo grande vuoto è stato colmato, " ha detto. "Questo è solo bello."

Le prime fusioni di stelle di neutroni si sono verificate dopo la morte della prima generazione di stelle, e schizzarono il cosmo con tutti i tipi di nuovi atomi.

Ciò include alcuni che sono così instabili da non esistere nel nostro sistema solare oggi, tranne che per pochi millisecondi nel laboratorio di un ricercatore.

"Tu frulli per tutta la tavola periodica, " ha detto Johnson. "Quindi entro circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang, hai creato parte di ogni elemento."

Ma la composizione dell'universo continuava a cambiare. Nel prossimo miliardo di anni, nuovi processi cosmici iniziarono ad aumentare l'abbondanza di alcuni elementi quando iniziarono a formarsi stelle più piccole.

Queste stelle non sono abbastanza grandi per produrre qualcosa di più pesante del carbonio e dell'ossigeno, o per esplodere come enormi supernove. Anziché, quando la fusione nei loro nuclei cessa, decadono in nane bianche.

Le nane bianche possono scontrarsi, innescando un processo di fusione inarrestabile che converte quasi tutto nella stella in ferro. "Puoi creare fondamentalmente una bomba di ferro, " disse Frebel.

Prima di ciò, durante la loro morte prolungata, alcune stelle di piccola massa possono anche incubare elementi pesanti. I neutroni rimasti dai loro giorni in cui bruciavano l'elio si depositano sui nuclei di altri elementi a una velocità di circa uno ogni poche settimane o mesi, costruendo gradualmente atomi più pesanti di un pollice lungo la tavola periodica.

Sono necessari più di 100 neutroni catturati per convertire un atomo di ferro in un elemento di terre rare come il lantanio (numero atomico 57) o il lutezio (numero atomico 71). Però, ci sono un sacco di queste stelle, e restano a lungo in giro, quindi producono circa la metà degli elementi più pesanti del ferro.

Un astronomo di nome Paul Merrill trovò prove di questo processo nel 1951. Lavorando all'Osservatorio di Mount Wilson sopra Los Angeles, ha identificato l'elemento radioattivo tecnezio (numero atomico 43) in un malato, antica stella.

Gli scienziati sapevano che il tecnezio era instabile e decadeva rapidamente. Ciò significava che non poteva essere stato ereditato da una stella che aveva già miliardi di anni, Merrill realizzato. L'unico modo in cui l'elemento avrebbe potuto arrivarci era se la stella ce l'avesse fatta.

Oggi, 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, le stelle hanno convertito circa il 2% dell'idrogeno e dell'elio dell'universo in altri elementi.

Ora esistono in quantità variabili, a seconda della frequenza e della produttività dei processi che li creano. Platino (numero atomico 78), ad esempio, è un milione di volte più raro del ferro perché le fusioni di stelle di neutroni non avvengono molto spesso. (Questo è uno dei motivi per cui i metalli preziosi sono preziosi, disse Cowan.)

La presenza di elementi come il carbonio e l'ossigeno ha aiutato a raffreddare gli angoli della galassia in modo che potessero formarsi stelle più piccole come il sole. E la comparsa dei metalli ha permesso ai sistemi solari di emergere dai dischi di gas e polvere che turbinavano attorno a queste nuove stelle.

"Ora c'è abbastanza spazzatura nel disco che puoi formare pianeti, " Johnson ha detto. "Più ferro rispetto all'idrogeno, più è probabile che troveremo un Giove."

Il crescente rapporto tra ferro ed elementi come l'ossigeno ha anche aumentato le possibilità di formare pianeti rocciosi con grandi nuclei, come la Terra. (I grandi core possono svolgere molte funzioni, compresa la generazione di un campo magnetico che protegge la vita.)

Mentre l'universo invecchia, gli elementi al suo interno diventeranno più pesanti. E in circa 10 trilioni di anni, quando la formazione stellare è svanita, la sua composizione smetterà di cambiare.

C'è un dibattito su quanto idrogeno rimarrà a quel punto. Johnson pensa che una discreta quantità rimarrà nel mezzo intergalattico, mentre Frebel sospetta che la maggior parte di essa sarà stata trasformata.

Ma esisterà ancora in un altro senso, lei disse, poiché tutti gli elementi sono in realtà solo riarrangiamenti degli atomi di idrogeno che si sono formati nei primi minuti dopo il Big Bang. Da allora si sono scatenati nel cosmo, in un elemento o nell'altro. Alcuni sono finiti qui sulla Terra, dove compongono tutto. Compreso noi.

L'amato astronomo Carl Sagan amava dire che "siamo fatti di roba da star".

Non è tutto, Fredel ha detto:"Siamo anche roba da Big Bang".

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