Un team di ricercatori internazionali è tornato alla formazione del sistema solare 4,6 miliardi di anni fa per ottenere nuove informazioni sull'origine cosmica degli elementi più pesanti sulla tavola periodica.

Guidato da scienziati che collaborano nell'ambito dell'International Research Network for Nuclear Astrophysics (IReNA) (irenaweb.org) e del Joint Institute for Nuclear Astrophysics-Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) (jinaweb.org), lo studio è pubblicato nell'ultimo numero della rivista Scienza .

Elementi pesanti che incontriamo nella nostra quotidianità, come ferro e argento, non esisteva all'inizio dell'universo, 13,7 miliardi di anni fa. Sono stati creati nel tempo attraverso reazioni nucleari chiamate nucleosintesi che combinavano gli atomi insieme. In particolare, iodio, oro, platino, uranio, plutonio, e curio, alcuni degli elementi più pesanti, sono stati creati da un tipo specifico di nucleosintesi chiamato processo di cattura rapida dei neutroni, o processo r.

La questione di quali eventi astronomici possano produrre gli elementi più pesanti è stata un mistero per decenni. Oggi, si pensa che il processo r possa verificarsi durante violente collisioni tra due stelle di neutroni, tra una stella di neutroni e un buco nero, o durante rare esplosioni in seguito alla morte di stelle massicce. Tali eventi altamente energetici si verificano molto raramente nell'universo. Quando lo fanno, i neutroni sono incorporati nel nucleo degli atomi, poi convertito in protoni. Poiché gli elementi della tavola periodica sono definiti dal numero di protoni nel loro nucleo, il processo r costruisce nuclei più pesanti man mano che vengono catturati più neutroni.

Alcuni dei nuclei prodotti dal processo r sono radioattivi e impiegano milioni di anni per decadere in nuclei stabili. Lo iodio-129 e il curio-247 sono due di questi nuclei che furono prodotti prima della formazione del sole. Sono stati incorporati in solidi che alla fine sono caduti sulla superficie terrestre come meteoriti. Dentro questi meteoriti, il decadimento radioattivo ha generato un eccesso di nuclei stabili. Oggi, questo eccesso può essere misurato in laboratorio per calcolare la quantità di iodio-129 e curio-247 che erano presenti nel sistema solare poco prima della sua formazione.

Perché questi due nuclei del processo r sono così speciali? Hanno una proprietà peculiare in comune:decadono quasi esattamente alla stessa velocità. In altre parole, il rapporto tra iodio-129 e curio-247 non è cambiato dalla loro creazione, miliardi di anni fa.

"Questa è una coincidenza incredibile, in particolare dato che questi nuclei sono due dei soli cinque nuclei radioattivi del processo r che possono essere misurati nei meteoriti, " dice Benoit Co?te? dell'Osservatorio Konkoly, il capo dello studio. "Con il rapporto tra iodio-129 e curio-247 congelato nel tempo, come un fossile preistorico, possiamo dare uno sguardo diretto all'ultima ondata di produzione di elementi pesanti che ha costruito la composizione del sistema solare, e tutto ciò che contiene".

Iodio, con i suoi 53 protoni, si crea più facilmente del curio con i suoi 96 protoni. Questo perché sono necessarie più reazioni di cattura dei neutroni per raggiungere il maggior numero di protoni del curio. Come conseguenza, il rapporto tra iodio-129 e curio-247 dipende fortemente dalla quantità di neutroni che erano disponibili durante la loro creazione.

Il team ha calcolato i rapporti tra iodio-129 e curio-247 sintetizzati dalle collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri per trovare il giusto insieme di condizioni che riproducono la composizione dei meteoriti. Hanno concluso che la quantità di neutroni disponibili durante l'ultimo evento del processo r prima della nascita del sistema solare non poteva essere troppo alta. Altrimenti, sarebbe stato creato troppo curio rispetto allo iodio. Ciò implica che sorgenti molto ricche di neutroni, come la materia strappata dalla superficie di una stella di neutroni durante una collisione, probabilmente non ha avuto un ruolo importante.

Quindi cosa ha creato questi nuclei del processo r? Mentre i ricercatori potrebbero fornire informazioni nuove e approfondite su come sono stati realizzati, non potevano definire la natura dell'oggetto astronomico che li ha creati. Questo perché i modelli di nucleosintesi si basano su proprietà nucleari incerte, e non è ancora chiaro come collegare la disponibilità di neutroni a oggetti astronomici specifici come esplosioni stellari massicce e stelle di neutroni in collisione.

"Ma la capacità del rapporto tra iodio-129 e curio-247 di scrutare più direttamente la natura fondamentale della nucleosintesi degli elementi pesanti è una prospettiva entusiasmante per il futuro, ", ha affermato Nicole Vassh dell'Università di Notre Dame, coautore dello studio.

Con questo nuovo strumento diagnostico, i progressi nella fedeltà delle simulazioni astrofisiche e nella comprensione delle proprietà nucleari potrebbero rivelare quali oggetti astronomici hanno creato gli elementi più pesanti del sistema solare.

"Studi come questo sono possibili solo quando si mette insieme un team multidisciplinare, dove ogni collaboratore contribuisce a un pezzo distinto del puzzle. L'incontro JINA-CEE 2019 Frontiers ha fornito l'ambiente ideale per formalizzare la collaborazione che ha portato al risultato attuale, " ha detto Cote.