Quasi 70 anni fa, l'astronomo Paul Merrill stava osservando il cielo attraverso un telescopio all'Osservatorio di Mount Wilson a Pasadena, California. Mentre osservava la luce proveniente da una stella lontana, vide le firme dell'elemento tecnezio.

Questo era completamente inaspettato. Il tecnezio non ha forme stabili:è ciò che i fisici chiamano un elemento "artificiale". Come lo stesso Merrill ha detto con un po' di understatement, "È sorprendente trovare un elemento instabile nelle stelle".

Qualsiasi tecnezio presente quando la stella formata avrebbe dovuto trasformarsi in un elemento diverso, come rutenio o molibdeno, molto tempo fa. In quanto elemento artificiale, qualcuno deve aver creato di recente il tecnezio individuato da Merrill. Ma chi o cosa avrebbe potuto farlo in questa stella?

Il 2 maggio, 1952, Merrill ha riportato la sua scoperta sulla rivista Science. Tra le tre interpretazioni offerte da Merrill c'era la risposta:le stelle creano elementi pesanti! Non solo Merrill aveva spiegato un'osservazione sconcertante, aveva anche aperto la porta per comprendere le nostre origini cosmiche. Non molte scoperte scientifiche cambiano completamente la nostra visione del mondo, ma questa lo ha fatto. L'immagine appena rivelata dell'universo era semplicemente strabiliante, e le ripercussioni di questa scoperta guidano ancora oggi la ricerca scientifica nucleare.

Da dove vengono gli elementi?

All'inizio degli anni Cinquanta, non era ancora chiaro come gli elementi che compongono il nostro universo, il nostro sistema solare, anche i nostri corpi umani, sono stati creati. Inizialmente, lo scenario più popolare era che fossero tutti realizzati nel Big Bang.

I primi scenari alternativi furono sviluppati da rinomati scienziati dell'epoca, come Hans Bethe (Premio Nobel per la Fisica, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Medaglia Max Plank, 1957), e Fred Hoyle (Medaglia Reale, 1974). Ma nessuno aveva davvero escogitato una teoria convincente sull'origine degli elementi, fino all'osservazione di Paul Merrill.

La scoperta di Merrill ha segnato la nascita di un campo completamente nuovo:la nucleosintesi stellare. È lo studio di come gli elementi, o più precisamente i loro nuclei atomici, sono sintetizzati nelle stelle. Non ci volle molto perché gli scienziati iniziassero a cercare di capire esattamente cosa comportasse il processo di sintesi degli elementi nelle stelle. È qui che doveva entrare in gioco la fisica nucleare, per aiutare a spiegare l'incredibile osservazione di Merrill.

Nuclei di fusione nel cuore di una stella

Mattone su mattone, elemento per elemento, i processi nucleari nelle stelle prendono gli abbondanti atomi di idrogeno e costruiscono elementi più pesanti, da elio e carbonio fino al tecnezio e oltre.

Quattro eminenti (astro)fisici nucleari dell'epoca lavorarono insieme, e nel 1957 pubblicò la "Sintesi degli elementi nelle stelle":Margaret Burbidge (Albert Einstein World Award of Science, 1988), Geoffrey Burbidge (Medaglia Bruce, 1999), William Fowler (Premio Nobel per la Fisica, 1983), e Fred Hoyle (Medaglia Reale, 1974). La pubblicazione, noto come B2FH, rimane ancora un riferimento per descrivere i processi astrofisici nelle stelle. Al Cameron (Premio Hans Bethe, 2006) nello stesso anno è arrivato indipendentemente alla stessa teoria nel suo articolo "Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis".

Ecco la storia che hanno messo insieme.

Le stelle sono pesanti. Penseresti che crollerebbero completamente su se stessi a causa della loro stessa gravità, ma non è così. Ciò che impedisce questo collasso sono le reazioni di fusione nucleare che si verificano al centro della stella.

All'interno di una stella ci sono miliardi e miliardi di atomi. Stanno zoomando tutto intorno, a volte si scontrano tra loro. Inizialmente la stella è troppo fredda, e quando i nuclei degli atomi si scontrano, semplicemente rimbalzano l'uno contro l'altro. Mentre la stella si comprime a causa della sua gravità, anche se, la temperatura al suo centro aumenta. In condizioni così calde, ora quando i nuclei si incontrano hanno abbastanza energia per fondersi insieme. Questo è ciò che i fisici chiamano reazione di fusione nucleare.

Queste reazioni nucleari servono a due scopi.

Primo, rilasciano energia che riscalda la stella, fornendo la pressione verso l'esterno che impedisce il suo collasso gravitazionale e mantiene la stella in equilibrio per miliardi di anni. Secondo, fondono gli elementi leggeri in quelli più pesanti. E lentamente, a partire da idrogeno ed elio, le stelle faranno il tecnezio che ha osservato Merrill, il calcio nelle nostre ossa e l'oro nei nostri gioielli.

Molte diverse reazioni nucleari sono responsabili di far accadere tutto questo. E sono estremamente difficili da studiare in laboratorio perché i nuclei sono difficili da fondere. Ecco perchè, da più di sei decenni, i fisici nucleari hanno continuato a lavorare per ottenere un controllo sulle reazioni nucleari che guidano le stelle.

Gli astrofisici stanno ancora districando le origini degli elementi

Oggi ci sono molti altri modi per osservare le firme della creazione degli elementi in tutto l'universo.

Le stelle molto antiche registrano la composizione dell'universo all'epoca della loro formazione. Man mano che si trovano sempre più stelle di età diverse, le loro composizioni iniziano a raccontare la storia della sintesi degli elementi nella nostra galassia, dalla sua formazione poco dopo il Big Bang ad oggi.

E più i ricercatori imparano, più il quadro diventa complesso. Nell'ultima decade, le osservazioni hanno fornito prove per una gamma molto più ampia di processi di creazione di elementi rispetto a quanto previsto. Per alcuni di questi processi, non sappiamo ancora nemmeno in che tipo di stelle o esplosioni stellari si verificano. Ma gli astrofisici pensano che tutti questi eventi stellari abbiano contribuito con il loro caratteristico mix di elementi alla vorticosa nuvola di polvere che alla fine è diventata il nostro sistema solare.

L'esempio più recente viene da un evento di fusione di stelle di neutroni seguito da osservatori gravitazionali ed elettromagnetici in tutto il mondo. Questa osservazione dimostra che anche la fusione di stelle di neutroni dà un grande contributo alla produzione di elementi pesanti nell'universo - in questo caso i cosiddetti Lantanidi che includono elementi come Terbio, Neodinio e il disprosio utilizzati nei telefoni cellulari. E proprio come al tempo della scoperta di Merrill, gli scienziati nucleari di tutto il mondo si stanno rimescolando, facendo gli straordinari ai loro acceleratori, per capire quali reazioni nucleari potrebbero spiegare tutte queste nuove osservazioni.

Le scoperte che cambiano la nostra visione del mondo non accadono tutti i giorni. Ma quando lo fanno, possono fornire più domande che risposte. Ci vuole molto lavoro aggiuntivo per trovare tutti i pezzi del nuovo puzzle scientifico, metterli insieme passo dopo passo e alla fine arrivare a una nuova comprensione. Le osservazioni astronomiche avanzate con i moderni telescopi continuano a rivelare sempre più segreti nascosti nelle stelle lontane. Strutture acceleratrici all'avanguardia studiano le reazioni nucleari che creano elementi nelle stelle. E sofisticati modelli di computer mettono tutto insieme, cercando di ricreare le parti dell'universo che vediamo, mentre si protende verso quelli che si nascondono ancora fino alla prossima grande scoperta.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.