Per la prima volta, un elemento pesante appena fatto, stronzio, è stato rilevato nello spazio, all'indomani della fusione di due stelle di neutroni. Questa scoperta è stata osservata dallo spettrografo X-shooter dell'ESO sul Very Large Telescope (VLT) ed è pubblicata oggi su Nature. Il rilevamento conferma che gli elementi più pesanti nell'Universo possono formarsi in fusioni di stelle di neutroni, fornendo un pezzo mancante del puzzle della formazione degli elementi chimici.

Nel 2017, in seguito al rilevamento delle onde gravitazionali che passano sulla Terra, L'ESO ha puntato i suoi telescopi in Cile, compreso il VLT, alla fonte:una fusione di stelle di neutroni denominata GW170817. Gli astronomi sospettavano che, se si formassero elementi più pesanti nelle collisioni di stelle di neutroni, le firme di quegli elementi potrebbero essere rilevate in kilonovae, le conseguenze esplosive di queste fusioni. Questo è ciò che ha fatto ora un team di ricercatori europei, utilizzando i dati dello strumento X-shooter sul VLT dell'ESO.

A seguito della fusione GW170817, La flotta di telescopi dell'ESO ha iniziato a monitorare l'esplosione emergente della kilonova su un'ampia gamma di lunghezze d'onda. X-shooter in particolare ha preso una serie di spettri dall'ultravioletto al vicino infrarosso. L'analisi iniziale di questi spettri ha suggerito la presenza di elementi pesanti nella kilonova, ma gli astronomi non sono stati in grado di individuare i singoli elementi fino ad ora.

"Rianalizzando i dati 2017 della fusione, ora abbiamo identificato la firma di un elemento pesante in questa palla di fuoco, stronzio, dimostrando che la collisione di stelle di neutroni crea questo elemento nell'Universo, ", afferma l'autore principale dello studio Darach Watson dell'Università di Copenhagen in Danimarca. Sulla Terra, lo stronzio si trova naturalmente nel terreno ed è concentrato in alcuni minerali. I suoi sali vengono utilizzati per conferire ai fuochi d'artificio un colore rosso brillante.

Gli astronomi conoscono i processi fisici che creano gli elementi fin dagli anni '50. Nei decenni successivi hanno scoperto i siti cosmici di ciascuna di queste grandi fucine nucleari, tranne uno. "Questa è la fase finale di un inseguimento decennale per stabilire l'origine degli elementi, " dice Watson. "Ora sappiamo che i processi che hanno creato gli elementi sono avvenuti principalmente nelle stelle ordinarie, nelle esplosioni di supernova, o negli strati esterni di vecchie stelle. Ma, fino ad ora, non conoscevamo il luogo della finale, processo sconosciuto, nota come cattura rapida di neutroni, che ha creato gli elementi più pesanti nella tavola periodica."

La cattura rapida di neutroni è un processo in cui un nucleo atomico cattura i neutroni abbastanza rapidamente da consentire la creazione di elementi molto pesanti. Sebbene molti elementi siano prodotti nel nucleo delle stelle, creando elementi più pesanti del ferro, come lo stronzio, richiede ambienti ancora più caldi con molti neutroni liberi. La cattura rapida dei neutroni si verifica naturalmente solo in ambienti estremi in cui gli atomi sono bombardati da un vasto numero di neutroni.

"Questa è la prima volta che possiamo associare direttamente il materiale appena creato formato tramite la cattura di neutroni con una fusione di stelle di neutroni, confermando che le stelle di neutroni sono fatte di neutroni e legando il processo di cattura rapida dei neutroni a lungo dibattuto a tali fusioni, " dice Camilla Juul Hansen del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, che ha avuto un ruolo importante nello studio.

Gli scienziati stanno iniziando solo ora a comprendere meglio le fusioni di stelle di neutroni e le kilonovae. A causa della comprensione limitata di questi nuovi fenomeni e di altre complessità negli spettri che l'X-shooter del VLT ha rilevato dell'esplosione, gli astronomi non erano stati in grado di identificare i singoli elementi fino ad ora.

"In realtà ci è venuta l'idea che potremmo vedere lo stronzio abbastanza rapidamente dopo l'evento. Tuttavia, dimostrando che questo era dimostrabilmente il caso si è rivelato molto difficile. Questa difficoltà era dovuta alla nostra conoscenza altamente incompleta dell'aspetto spettrale degli elementi più pesanti nella tavola periodica, ", afferma il ricercatore dell'Università di Copenaghen Jonatan Selsing, che era un autore chiave sulla carta.

La fusione GW170817 è stata la quinta rilevazione di onde gravitazionali, reso possibile grazie al Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e all'Interferometro Virgo in Italia. Situato nella galassia NGC 4993, la fusione è stata la prima, e finora l'unico, sorgente di onde gravitazionali per avere la sua controparte visibile rilevata dai telescopi sulla Terra.

Con gli sforzi congiunti di LIGO, Vergine e il VLT, abbiamo la comprensione più chiara finora del funzionamento interno delle stelle di neutroni e delle loro fusioni esplosive.

Questa ricerca è stata presentata in un documento che apparirà in Natura il 24 ottobre 2019.