Roma – Gli astronomi hanno scoperto un luogo di nascita precedentemente sconosciuto di alcuni degli elementi più rari dell’universo: un gigantesco brillamento generato da una stella supermagnetizzata. Gli astronomi hanno calcolato che tali brillamenti potrebbero essere responsabili della formazione di fino al 10% dell’oro, del platino e di altri elementi pesanti presenti nella nostra galassia.
La scoperta risolve anche un mistero decennale riguardante un brillante lampo di luce e particelle individuato da un telescopio spaziale nel dicembre 2004. La luce proveniva da una magnetar – un tipo di stella avvolta in campi magnetici migliaia di miliardi di volte più intensi di quello terrestre – che aveva scatenato un gigantesco brillamento. La potente esplosione di radiazioni durò solo pochi secondi, ma sprigionò più energia di quanta ne rilascia il nostro sole in un milione di anni. Mentre l’origine del brillamento fu rapidamente identificata, un secondo segnale, più piccolo, proveniente dalla stella, che raggiunse il picco 10 minuti dopo, sconcertò gli scienziati dell’epoca. Per 20 anni, quel segnale rimase inspiegabile.
Ora, una nuova intuizione degli astronomi del Center for Computational Astrophysics (CCA) del Flatiron Institute di New York ha rivelato che l’inspiegabile segnale più piccolo ha segnato la rara nascita di elementi pesanti come oro e platino. Oltre a confermare un’altra fonte di questi elementi, gli astronomi hanno stimato che il solo brillamento del 2004 abbia prodotto l’equivalente di un terzo della massa terrestre in metalli pesanti. La scoperta è stata pubblicata il 29 aprile su The Astrophysical Journal Letters .
“Questa è davvero solo la seconda volta che vediamo direttamente la prova di dove si formano questi elementi”, la prima è stata la fusione di stelle di neutroni, afferma Brian Metzger , coautore dello studio, ricercatore senior presso il CCA e professore alla Columbia University. “È un balzo in avanti sostanziale nella nostra comprensione della produzione di elementi pesanti”.
La maggior parte degli elementi che conosciamo e amiamo oggi non è sempre esistita. Idrogeno, elio e una piccola quantità di litio si sono formati nel Big Bang, ma quasi tutto il resto è stato prodotto dalle stelle durante la loro vita o durante la loro morte violenta. Mentre gli scienziati comprendono a fondo dove e come vengono prodotti gli elementi più leggeri, i siti di produzione di molti degli elementi più pesanti ricchi di neutroni – quelli più pesanti del ferro – rimangono incompleti.
Questi elementi, tra cui uranio e stronzio, vengono prodotti in una serie di reazioni nucleari note come processo di cattura rapida dei neutroni, o processo r. Questo processo richiede un eccesso di neutroni liberi, una quantità che si può trovare solo in ambienti estremi. Gli astronomi si aspettavano quindi che gli ambienti estremi creati dalle supernovae o dalle fusioni di stelle di neutroni fossero i siti più promettenti per il processo r.
Solo nel 2017 gli astronomi sono stati in grado di confermare la presenza di un sito di processo r, osservando la collisione di due stelle di neutroni. Queste stelle sono i resti collassati di ex giganti stellari e sono composte da una zuppa di neutroni così densa che un singolo cucchiaio peserebbe più di 1 miliardo di tonnellate. Le osservazioni del 2017 hanno dimostrato che la collisione cataclismica di due di queste stelle crea l’ambiente ricco di neutroni necessario per la formazione di elementi del processo r.
Tuttavia, gli astronomi si sono resi conto che queste rare collisioni da sole non possono spiegare tutti gli elementi prodotti dal processo r che osserviamo oggi. Alcuni hanno ipotizzato che anche le magnetar, stelle di neutroni altamente magnetizzate, potessero esserne una fonte.
Nel 2024 Metzger e i suoi colleghi hanno calcolato che gigantesche esplosioni potrebbero espellere materiale dalla crosta di una magnetar nello spazio, dove potrebbero formarsi elementi del processo r.
“È davvero incredibile pensare che alcuni degli elementi pesanti che ci circondano, come i metalli preziosi presenti nei nostri telefoni e computer, siano prodotti in questi ambienti estremi e pazzeschi”, afferma Anirudh Patel, dottorando presso la Columbia University e autore principale del nuovo studio.
I calcoli del gruppo mostrano che queste gigantesche esplosioni creano nuclei radioattivi pesanti e instabili, che decadono in elementi stabili come l’oro. Durante il decadimento, gli elementi radioattivi emettono un bagliore luminoso, oltre a generare nuovi elementi.
Il gruppo ha anche calcolato nel 2024 che il bagliore dei decadimenti radioattivi sarebbe stato visibile come un’esplosione di raggi gamma, una forma di luce altamente energizzata. Quando hanno discusso le loro scoperte con gli astronomi che osservano i raggi gamma, il gruppo ha scoperto che, in realtà, un segnale di questo tipo era stato osservato decenni prima e non era mai stato spiegato. Poiché c’è poca sovrapposizione tra lo studio dell’attività delle magnetar e la scienza della sintesi di elementi pesanti, nessuno aveva precedentemente proposto la produzione di elementi come causa del segnale.
“L’evento era stato in qualche modo dimenticato nel corso degli anni”, racconta Metzger. “Ma ci siamo resi conto molto rapidamente che il nostro modello era perfetto per quell’occasione.”
Nel nuovo articolo, gli astronomi hanno utilizzato le osservazioni dell’evento del 2004 per stimare che il brillamento abbia prodotto 2 milioni di miliardi di miliardi di chilogrammi di elementi pesanti (approssimativamente equivalenti alla massa di Marte). Da questo, stimano che dall’1 al 10% di tutti gli elementi con processo r presenti oggi nella nostra galassia siano stati creati in questi brillamenti giganti. La parte rimanente potrebbe derivare da fusioni di stelle di neutroni, ma con una sola fiammata gigante di magnetar e una sola fusione documentate, è difficile conoscere le percentuali esatte – o se questa sia la verità assoluta.
“Non possiamo escludere che ci possano essere terzi o quarti siti che non abbiamo ancora visto”, afferma Metzger.
“La cosa interessante di questi brillamenti giganti è che possono verificarsi in una fase molto precoce della storia galattica”, aggiunge Patel. “I brillamenti giganti di Magnetar potrebbero essere la soluzione a un problema che abbiamo avuto: nelle galassie giovani si osservano più elementi pesanti di quanti ne possano essere creati dalle sole collisioni di stelle di neutroni.”
Per restringere le percentuali, è necessario osservare più brillamenti giganti di magnetar. Telescopi come la missione Compton Spectrometer and Imager della NASA, il cui lancio è previsto per il 2027, aiuteranno a catturare meglio questi segnali. Grandi brillamenti di magnetar sembrano verificarsi ogni pochi decenni nella Via Lattea e circa una volta all’anno nell’universo visibile, ma il segreto è coglierli in tempo.
“Una volta rilevato un lampo gamma, bisogna puntare un telescopio ultravioletto verso la sorgente entro 10-15 minuti per vedere il picco del segnale e confermare che gli elementi del processo r siano prodotti lì”, afferma Metzger. “Sarà una caccia divertente.”(30Science.com)
