In questi giorni di permanenza nelle nostre case, uno sguardo dalla finestra ci fa apprezzare la tranquillità e laboriosità della natura: ad esempio, il Sole, così lontano da noi, prosegue indisturbato la sua opera di continua trasformazione di elementi chimici leggeri in elementi più pesanti. Lo stesso fanno le altre stelle nell’universo.

Anche gli astrofisici, che studiano i processi fisici e chimici che avvengono nelle stelle, non hanno interrotto le loro ricerche ed hanno continuato ad interrogarsi sul funzionamento di queste meravigliose macchine celesti. Talvolta, per meglio comprendere questi processi, chiedono la collaborazione dei colleghi fisici, che lavorano ad esperimenti di fisica nucleare fondamentale, per riprodurre in “laboratorio” ciò che avviene dentro una stella. Seguendo questa via, due ricercatori dell’Osservatorio Astronomico d’Abruzzo, Sergio Cristallo e Luciano Piersanti, hanno proposto di effettuare una nuova misura ai colleghi che lavorano in due esperimenti di fisica nucleare: l’esperimento n_TOF attivo al CERN (Svizzera) e l’esperimento GELINA a Geel (Belgio).

Negli interni stellari, gli elementi più pesanti del ferro –come oro, argento e piombo– non si possono formare attraverso reazioni nucleari che coinvolgono due nuclei con carica elettrica, come invece avviene per gli elementi più leggeri. Ad esempio, il Deuterio è un elemento leggero prodotto da due nuclei di Idrogeno, che interagiscono tra loro all’interno del Sole. Per sintetizzare i nuclei molto pesanti, invece, sono necessari i neutroni, ossia particelle come i protoni, ma senza carica elettrica.

Nell’universo sono due i principali processi che vedono coinvolte le catture neutroniche: il processo slow, abbreviato in “processo s”, che avviene nelle fasi finali della vita di stelle di massa piccola ed intermedia (ovvero la cui massa è simile o non supera più di circa 4-8 volte la massa del Sole) e il processo rapid (o “processo r”), tipico delle fasi finali dell’evoluzione di stelle più massicce, siano esse singole o in sistemi binari. Lungo il percorso nucleare di formazione dei vari elementi chimici (schematizzato in figura), esistono alcuni isotopi (nuclei dello stesso elemento, ma con un numero diverso di neutroni) che non possono ricevere alcun contributo dal “processo r” , in quanto sono schermati da altri nuclei stabili (gli elementi nelle caselle nere della figura).

Lo studio di tali isotopi, detti tecnicamente “s-only”, è di fondamentale importanza per la calibrazione dei modelli stellari. Tra questi nuclei, spicca l’isotopo del Gadolinio ¹⁵⁴Gd, la cui nucleo-sintesi ha evidenziato una discrepanza tra l’abbondanza misurata nel Sole ed i modelli. Per risolvere questa discordanza, i ricercatori dell’OA Abruzzo hanno chiesto aiuto ai fisici nucleari coinvolti nell’esperimento n_TOF dell’Istituto Nucleare di Fisica Nucleare, invitandoli a misurare alcune proprietà nucleari del ¹⁵⁴Gd. In più, allo scopo di estrarre informazioni tra loro complementari, gli stessi fisici nucleari hanno condotto le misure anche alla “facility” GELINA in Belgio.

L’intensa attività di analisi dei dati, ottenuti dai due esperimenti nei mesi scorsi, ha portato a stimare con cura la probabilità che ha l’isotopo ¹⁵⁴Gd di catturare neutroni nelle stelle. Il risultato, inizialmente auspicato dagli astrofisici, è stato pienamente raggiunto: le misure hanno portato ad una riduzione di questa probabilità, con il conseguente aumento dell’abbondanza del ¹⁵⁴Gd prevista dai modelli teorici al momento della formazione del Sole. Ora, teoria ed osservazioni sono in accordo, entro gli errori sperimentali. Questo risultato conferma l’affidabilità e la validità dei modelli teorici sviluppati all’OA Abruzzo. I risultati di questa importante ricerca saranno a breve pubblicati sulla rivista “Physics Letter B”.

Il lavoro presentato mostra come il progresso della scienza qualche volta proceda attraverso canali non convenzionali: in questo caso, un’interessante scoperta di fisica nucleare è stata ottenuta grazie ai suggerimenti e alle indicazioni di ricercatori che si occupano di astrofisica stellare.

La ricerca scientifica procede anche in questi giorni.