Le collisioni di stelle di neutroni non creano la quantità di elementi chimici precedentemente ipotizzata, trova una nuova analisi dell'evoluzione delle galassie. La ricerca rivela anche che i modelli attuali non possono spiegare la quantità di oro nel cosmo, creando un mistero astronomico. Il lavoro ha prodotto una tavola periodica di nuova concezione che mostra le origini stellari degli elementi naturali, dal carbonio all'uranio.

Tutto l'idrogeno nell'universo, inclusa ogni sua molecola sulla Terra, è stato creato nel Big Bang, che produceva anche molto elio e litio, ma non molto altro. Il resto degli elementi naturali sono prodotti da processi nucleari che avvengono all'interno delle stelle. La massa governa esattamente quali elementi vengono forgiati, ma vengono tutti rilasciati nelle galassie nei momenti finali di ogni stella, in modo esplosivo, nel caso di quelli veramente grandi, o come densi deflussi, simile al vento solare, per quelli della stessa classe del sole.

"Possiamo pensare alle stelle come pentole a pressione giganti in cui vengono creati nuovi elementi, ", ha spiegato il professore associato Karakas, coautore, del Centro di eccellenza ARC australiano per l'astrofisica di tutti i cieli in tre dimensioni (ASTRO 3-D).

"Le reazioni che producono questi elementi forniscono anche l'energia che mantiene le stelle brillanti per miliardi di anni. Con l'invecchiamento delle stelle, producono elementi sempre più pesanti man mano che il loro interno si riscalda."

Si pensava che la metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro, come il torio e l'uranio, fossero prodotti quando le stelle di neutroni, i resti superdensi di soli bruciati, schiantati l'uno contro l'altro. A lungo teorizzato, le collisioni di stelle di neutroni non sono state confermate fino al 2017. Ora, però, una nuova analisi di Karakas e degli altri astronomi Chiaki Kobayashi e Maria Lugaro rivela che il ruolo delle stelle di neutroni potrebbe essere stato considerevolmente sopravvalutato e che un altro processo stellare è responsabile della produzione della maggior parte degli elementi pesanti.

"Le fusioni di stelle di neutroni non hanno prodotto abbastanza elementi pesanti nei primi anni di vita dell'universo, e ancora non lo fanno adesso, 14 miliardi di anni dopo, " disse Karakas. "L'universo non li ha resi abbastanza veloci da giustificare la loro presenza in stelle molto antiche, e, globale, semplicemente non ci sono abbastanza collisioni in corso per spiegare l'abbondanza di questi elementi oggi".

Anziché, i ricercatori hanno scoperto che gli elementi pesanti dovevano essere creati da un tipo completamente diverso di fenomeno stellare:supernove insolite che collassano mentre ruotano ad alta velocità e generano forti campi magnetici. Il risultato è uno dei tanti che emergono dalla loro ricerca, che è stato appena pubblicato su Giornale Astrofisico . Il loro studio è la prima volta che le origini stellari di tutti gli elementi naturali, dal carbonio all'uranio, sono state calcolate dai primi principi.

La nuova modellazione, dicono i ricercatori, cambierà sostanzialmente il modello attualmente accettato di come l'universo si è evoluto." Per esempio, abbiamo costruito questo nuovo modello per spiegare tutti gli elementi contemporaneamente, e ho trovato abbastanza argento ma non abbastanza oro, " ha detto il co-autore Professore Associato Kobayashi, dell'Università dell'Hertfordshire nel Regno Unito.

"L'argento è sovraprodotto, ma l'oro è sottoprodotto nel modello rispetto alle osservazioni. Ciò significa che potremmo aver bisogno di identificare un nuovo tipo di esplosione stellare o reazione nucleare". Lo studio affina studi precedenti che calcolano i ruoli relativi della massa stellare, età e disposizione nella produzione degli elementi. Ad esempio, i ricercatori hanno stabilito che le stelle più piccole di circa otto volte la massa del sole producono carbonio, azoto e fluoro, così come metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro. Stelle massicce oltre circa otto volte la massa del sole che esplodono anche come supernovae alla fine della loro vita producono molti degli elementi dal carbonio al ferro, compresa la maggior parte dell'ossigeno e del calcio necessari per la vita.

"A parte l'idrogeno, non esiste un singolo elemento che può essere formato da un solo tipo di stella, " ha spiegato Kobayashi.

"La metà del carbonio è prodotta da stelle morenti di piccola massa, ma l'altra metà proviene dalle supernove. E metà del ferro proviene da normali supernove di stelle massicce, ma l'altra metà ha bisogno di un'altra forma, note come supernove di tipo Ia. Questi sono prodotti in sistemi binari di stelle di piccola massa".

Coppie di stelle massicce legate dalla gravità, in contrasto, possono trasformarsi in stelle di neutroni. Quando questi si scontrano l'uno con l'altro, l'impatto produce alcuni degli elementi più pesanti presenti in natura, compreso l'oro.

Sulla nuova modellazione, però, i numeri semplicemente non tornano.

"Anche le stime più ottimistiche della frequenza di collisione delle stelle di neutroni semplicemente non possono spiegare la pura abbondanza di questi elementi nell'universo, " ha detto Karakas. "Questa è stata una sorpresa. Sembra che le supernove rotanti con forti campi magnetici siano la vera fonte della maggior parte di questi elementi".

Co-autrice Dott.ssa Maria Lugaro, che ricopre incarichi all'Osservatorio Konkoly in Ungheria e alla Monash University in Australia, pensa che il mistero dell'oro mancante possa essere risolto abbastanza presto. "Ci si aspettano nuove scoperte dagli impianti nucleari di tutto il mondo, compresa l'Europa, Stati Uniti e Giappone, attualmente mira a nuclei rari associati a fusioni di stelle di neutroni, " ha detto. "Le proprietà di questi nuclei sono sconosciute, ma controllano pesantemente la produzione delle abbondanze degli elementi pesanti. Il problema astrofisico dell'oro mancante potrebbe davvero essere risolto con un esperimento di fisica nucleare".

I ricercatori ammettono che la ricerca futura potrebbe scoprire che le collisioni di stelle di neutroni sono più frequenti di quanto suggeriscano le prove finora. nel qual caso il loro contributo agli elementi che compongono tutto, dagli schermi dei telefoni cellulari al combustibile per i reattori nucleari, potrebbe essere nuovamente rivisto al rialzo.

Per il momento, però, sembrano offrire molto meno denaro per la loro frangia.