Una nuova misurazione della velocità con cui le stelle creano carbonio può innescare un importante cambiamento nella nostra comprensione di come le stelle si evolvono e muoiono, come vengono creati gli elementi, e anche l'origine e l'abbondanza degli elementi costitutivi della vita.

I fisici dell'Australian National University e dell'Università di Oslo hanno riprodotto il modo in cui le stelle producono carbonio attraverso una fugace collaborazione di atomi di elio nota come stato di Hoyle in due misurazioni separate. Hanno scoperto che il carbonio, l'elemento costitutivo della vita, viene prodotto il 34% più velocemente di quanto si pensasse in precedenza.

"È un risultato davvero sorprendente, con profonde implicazioni in tutta l'astrofisica, ", ha affermato il Professore Associato Tibor Kibédi, uno dei principali ricercatori del Dipartimento di Fisica Nucleare dell'ANU.

L'esperimento di Oslo è stato riportato in Lettere di revisione fisica , e i risultati dell'ANU sono stati pubblicati in Revisione fisica C .

Le stelle producono carbonio attraverso il processo triplo alfa, dove tre particelle alfa (nuclei di elio) si scontrano e si fondono in una piccola frazione di secondo. Questo processo è così improbabile che per molti anni gli astrofisici non sono stati in grado di spiegare come si potessero creare il carbonio e gli elementi più pesanti nell'universo.

Nel 1953 il famoso astronomo Sir Fred Hoyle suggerì una soluzione all'enigma:uno stato eccitato del carbonio precedentemente sconosciuto, molto vicino all'energia del processo triplo alfa. Questo stato eccitato, ora conosciuto come lo stato di Hoyle, e fungerebbe da trampolino di lancio per la produzione di carbonio stabile.

Questo a sua volta apre la strada a ulteriori reazioni di fusione, permettendo alle stelle di trasformare gli elementi più pesanti dall'ossigeno al ferro e oltre.

Il carbonio e altri elementi formati all'interno delle stelle alla fine diventano la polvere e il gas da cui si formano i pianeti. Qui sulla Terra, la chimica del carbonio è la base della vita.

"È uno dei miracoli del mondo materiale, " Kibédi ha detto. "In poche parole, se lo stato di Hoyle non esistesse, nemmeno noi!"

Anche con l'aiuto dello stato di Hoyle, la formazione di carbonio stabile è ancora molto improbabile.

"Per ogni 2500 nuclei dello stato di Hoyle prodotti, " ha spiegato Kibédi, "solo uno passa al carbonio stabile. Il resto va in pezzi."

Misurare direttamente il tasso di produzione di carbonio è molto difficile. Anziché, i fisici lo calcolano indirettamente dalle osservazioni di due diverse transizioni di stato di Hoyle.

Per misurare la prima transizione, Kibédi e il suo team presso l'Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF) dell'ANU hanno sparato un raggio di protoni su un foglio di carbonio estremamente sottile per formare nuclei dello stato di Hoyle. Una piccola frazione dei nuclei eccitati ritorna al carbonio stabile emettendo una coppia elettrone-positrone, che il team ha rilevato con lo spettrometro a coppia SUPER-E della HIAF.

Allo stesso tempo, Kibédi e il suo team hanno lavorato con i ricercatori del Laboratorio Ciclotrone dell'Università di Oslo per misurare la seconda transizione, in cui lo stato di Hoyle emette un fotone. Hanno osservato sei miliardi di reazioni dello stato di Hoyle, di cui solo 200 sono decaduti attraverso il decadimento del fotone.

Combinando i risultati dell'ANU e di Oslo, il team ha calcolato il tasso di produzione di carbonio, il suo primo importante aggiornamento in 40 anni. Hanno scoperto che era più di un terzo più grande di quanto si pensasse in precedenza, un cambiamento enorme per una quantità astrofisica così critica.

"È stato davvero inaspettato, " ha detto Kibédi. "Nessuno aveva guardato questa particolare misurazione dal 1976. Tutti pensavano che fosse ben nota."

Secondo la dott.ssa Meridith Joyce della Research School of Astronomy and Astrofisica dell'ANU, un cambiamento così grande sarebbe un evento importante per gli astrofisici stellari.

"Un aumento del tasso di produzione di carbonio come questo avrebbe un grande impatto su molti dei nostri modelli, " disse Joyce.

"Influenzerebbe la nostra comprensione di come le stelle cambiano nel tempo, come producono elementi più pesanti del carbonio, come misuriamo l'età delle stelle e quanto dureranno, quanto spesso ci aspettiamo di vedere esplosioni di supernova, anche se lasciano dietro di sé stelle di neutroni o buchi neri".

Con così tanti fenomeni astronomici che si basano sulla misurazione, un adeguamento così grande al valore precedentemente accettato attirerà molto scrutinio. Kibédi è ottimista sul fatto che più esperimenti cementeranno i loro risultati, compreso un ulteriore lavoro presso la HIAF.

"È importante che vengano fatti più esperimenti per risolvere questo problema, " ha detto. "L'esperimento di Oslo si sta ripetendo, e l'analisi preliminare sembra supportare i nostri risultati".

"Il nostro piano originale qui all'ANU era di osservare per la prima volta i decadimenti da entrambe le transizioni di stato di Hoyle in un singolo esperimento. Sono ancora fiducioso che possiamo farlo".