Come vengono prodotti gli elementi chimici nel nostro Universo? Da dove vengono gli elementi pesanti come l'oro e l'uranio? Utilizzando simulazioni al computer, un gruppo di ricerca del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt, insieme a colleghi belgi e giapponesi, mostra che la sintesi di elementi pesanti è tipica di alcuni buchi neri con accumuli di materia in orbita, i cosiddetti dischi di accrescimento. L'abbondanza prevista degli elementi formati fornisce informazioni su quali elementi pesanti devono essere studiati nei futuri laboratori, come la Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), attualmente in costruzione, per svelare l'origine degli elementi pesanti. I risultati sono pubblicati sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society .

Tutti gli elementi pesanti sulla Terra oggi si sono formati in condizioni estreme in ambienti astrofisici:all'interno delle stelle, nelle esplosioni stellari e durante la collisione di stelle di neutroni. I ricercatori sono incuriositi dalla domanda in quale di questi eventi astrofisici esistano le condizioni appropriate per la formazione degli elementi più pesanti, come l'oro o l'uranio. La prima spettacolare osservazione delle onde gravitazionali e delle radiazioni elettromagnetiche originate da una fusione di stelle di neutroni nel 2017 ha suggerito che molti elementi pesanti possono essere prodotti e rilasciati in queste collisioni cosmiche. Tuttavia, la domanda rimane aperta su quando e perché il materiale viene espulso e se possono esserci altri scenari in cui possono essere prodotti elementi pesanti.

Candidati promettenti per la produzione di elementi pesanti sono i buchi neri in orbita attorno a un disco di accrescimento di materia densa e calda. Un tale sistema si forma sia dopo la fusione di due massicce stelle di neutroni che durante un cosiddetto collasso, il collasso e la successiva esplosione di una stella rotante. La composizione interna di tali dischi di accrescimento non è stata finora ben compresa, in particolare per quanto riguarda le condizioni in cui si forma un eccesso di neutroni. Un numero elevato di neutroni è un requisito fondamentale per la sintesi di elementi pesanti, poiché consente il processo di cattura rapida dei neutroni o processo r. I neutrini quasi privi di massa svolgono un ruolo chiave in questo processo, poiché consentono la conversione tra protoni e neutroni.

"Nel nostro studio, abbiamo studiato sistematicamente per la prima volta i tassi di conversione di neutroni e protoni per un gran numero di configurazioni di dischi per mezzo di elaborate simulazioni al computer, e abbiamo scoperto che i dischi sono molto ricchi di neutroni fintanto che determinate condizioni sono incontrato", spiega il dottor Oliver Just del gruppo di astrofisica relativistica della divisione di ricerca di GSI Theory. "Il fattore decisivo è la massa totale del disco. Più è massiccio il disco, più spesso i neutroni si formano da protoni per cattura di elettroni sotto emissione di neutrini, e sono disponibili per la sintesi di elementi pesanti per mezzo del r- Tuttavia, se la massa del disco è troppo alta, la reazione inversa gioca un ruolo maggiore in modo che più neutrini vengono ricatturati dai neutroni prima che lascino il disco. Questi neutroni vengono quindi riconvertiti in protoni, il che ostacola il processo r ." Come mostra lo studio, la massa ottimale del disco per la produzione prolifica di elementi pesanti è di circa 0,01-0,1 masse solari. Il risultato fornisce una forte evidenza che le fusioni di stelle di neutroni che producono dischi di accrescimento con queste masse esatte potrebbero essere il punto di origine per una grande frazione degli elementi pesanti. Tuttavia, al momento non è chiaro se e con quale frequenza tali dischi di accrescimento si verificano nei sistemi collapsar.

Oltre ai possibili processi di espulsione di massa, il gruppo di ricerca guidato dal Dr. Andreas Bauswein sta studiando anche i segnali luminosi generati dalla materia espulsa, che verranno utilizzati per dedurre la massa e la composizione della materia espulsa in future osservazioni di collisione stelle di neutroni. Un elemento fondamentale per la corretta lettura di questi segnali luminosi è la conoscenza accurata delle masse e di altre proprietà degli elementi appena formati. "These data are currently insufficient. But with the next generation of accelerators, such as FAIR, it will be possible to measure them with unprecedented accuracy in the future. The well-coordinated interplay of theoretical models, experiments, and astronomical observations will enable us researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.