Per la prima volta, gli astronomi hanno identificato un elemento chimico che si è formato di recente dalla fusione di due stelle di neutroni. Il meccanismo sottostante, chiamato processo r, noto anche come cattura rapida di neutroni, è considerato l'origine di grandi quantità di elementi più pesanti del ferro.

Questa scoperta getta nuova luce sul mistero degli ambienti in cui avviene questo r-processo. Il team di astronomi, includendo anche scienziati di FAIR e GSI, ha ormai dimostrato inequivocabilmente che la fusione di due stelle di neutroni crea le condizioni per questo processo e funge da reattore in cui vengono allevati nuovi elementi.

L'origine di elementi pesanti come l'oro, piombo e uranio non sono ancora stati del tutto chiariti. Gli elementi più leggeri, idrogeno ed elio, si erano già formati in quantità significative con il Big Bang. La fusione nucleare nei nuclei delle stelle è anche una fonte consolidata di atomi nell'intervallo di massa dall'elio al ferro.

Per la produzione di atomi più pesanti, gli scienziati sospettano un processo che collega i neutroni liberi ai mattoni già esistenti. La variante veloce di questo meccanismo è il cosiddetto processo r (r sta per rapida) o cattura rapida di neutroni. Attualmente, sono in corso ricerche per determinare quali oggetti potrebbero essere i siti in cui avviene questa reazione. I possibili candidati finora sono un tipo raro di esplosioni di supernova e la fusione di resti stellari densi come le stelle binarie di neutroni.

Grandi quantità di stronzio si formano in meno di un secondo

Un gruppo internazionale di astronomi con la sostanziale partecipazione di Camilla Juul Hansen del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg ha ora scoperto la firma dell'elemento stronzio, che si è formato dal processo r durante una fusione esplosiva di due stelle di neutroni. Con una media di 88 nucleoni, di cui 38 sono protoni, è più pesante del ferro.

Anche la professoressa Almudena Arcones e il Privatdozent Andreas Bauswein sono stati coinvolti nella pubblicazione sulla rivista scientifica Nature. Oltre alle loro attività nel dipartimento di ricerca per la fisica teorica presso FAIR e GSI, sono attivi anche presso l'Università Tecnica di Darmstadt e presso l'Università di Heidelberg, entrambe le università partner di FAIR e GSI. Hanno fornito preziose stime per la pubblicazione. Il processo e le caratteristiche del processo r sono tra le importanti questioni di ricerca da indagare presso il futuro impianto di accelerazione FAIR attualmente in costruzione a Darmstadt.

La fusione esplosiva ha prodotto un furioso guscio di espansione che si muoveva dal 20% al 30% della velocità della luce. È costituito da materia di nuova formazione, di cui lo stronzio da solo ammonta a circa cinque masse terrestri (1 massa terrestre =6·1024 kg). Così, per la prima volta, i ricercatori forniscono prove evidenti che una tale collisione fornisce le condizioni per il processo r in cui si formano gli elementi pesanti. Oltretutto, questa è la prima conferma empirica che le stelle di neutroni siano costituite da neutroni.

Il processo r è veramente rapido. Al secondo, più di 10²² di neutroni scorrono attraverso un'area di un centimetro quadrato. Il decadimento beta trasforma alcuni dei neutroni accumulati in protoni, emettendo un elettrone e un antineutrino ciascuno. L'aspetto speciale di questo meccanismo è che i neutroni si combinano per formare grandi composti più velocemente di quanto i conglomerati appena formati si rompano di nuovo. In questo modo, anche gli elementi pesanti possono crescere da singoli neutroni in meno di un secondo.

L'unione di stelle di neutroni produce onde gravitazionali

Utilizzando il Very Large Telescope (VLT) dell'Osservatorio europeo meridionale (ESO), gli scienziati hanno ottenuto gli spettri in seguito alla spettacolare scoperta del segnale dell'onda gravitazionale GW170817 nell'agosto 2017. Oltre a un lampo di raggi gamma, la kilonova AT2017gfo, un bagliore nella luce visibile dovuto a processi radioattivi, che svanì nel giro di pochi giorni dopo un primo forte aumento di luminosità, avvenuta nello stesso luogo. La prima analisi degli spettri nel 2017 da parte di un altro gruppo di ricercatori non ha prodotto un risultato chiaro sulla composizione dei prodotti di reazione.

La dottoressa Hansen e i suoi colleghi hanno basato la loro rivalutazione sulla creazione di spettri sintetici e sulla modellazione degli spettri osservati, che sono stati registrati nell'arco di quattro giorni ad intervalli di un giorno ciascuno. Gli spettri indicano un oggetto con una temperatura iniziale di circa 3700 K (circa 3400 °C), che sbiadiva e si raffreddava nei giorni successivi. I deficit di luminosità alle lunghezze d'onda di 350 e 850 nm sono cospicui. Queste sono come le impronte digitali dell'elemento che assorbe la luce in queste parti dello spettro.

Tenendo conto dello spostamento verso il blu di queste linee di assorbimento causato dall'effetto Doppler, l'espansione a seguito dell'evento di fusione produce, il gruppo di ricerca ha calcolato gli spettri di un gran numero di atomi utilizzando tre metodi sempre più complessi. Poiché tutti questi metodi hanno prodotto risultati coerenti, la conclusione finale è robusta. Si è scoperto che solo lo stronzio generato dal processo r è in grado di spiegare le posizioni e la forza delle caratteristiche di assorbimento negli spettri.

Progressi nella comprensione della nucleosintesi degli elementi pesanti

"I risultati di questo lavoro sono un passo importante nella decifrazione della nucleosintesi degli elementi pesanti e delle loro fonti cosmiche, Hansen conclude. "Questo è stato possibile solo combinando la nuova disciplina dell'astronomia delle onde gravitazionali con la precisa spettroscopia della radiazione elettromagnetica. Questi nuovi metodi danno speranza per ulteriori intuizioni rivoluzionarie sulla natura del processo r".