L’universo e le sue miniere d’oro. Gli elementi più pesanti vengono prodotti dalle collisioni che avvengono tra le stelle di neutroni. Un team di ricercatori del Mit e dell’Università del New Hampshire, ha scoperto che le fusioni di stelle di neutroni generano da 2 a 100 volte più metalli pesanti, rispetto a quelle che avvengono tra stelle di neutroni e i buchi neri. I dettagli della ricerca sono stati pubblicati su ApJ Letters.
La stima effettuata è stata ricavata dall’analisi di quattro fusioni di oggetti compatti. Questi sono stati analizzati attraverso il Ligo e il Virgo, con un periodo di riferimento degli ultimi 2.5 miliardi di anni.
Gli elementi creati
Gli elementi più leggeri, come ad esempio il ferro, vengono prodotti all’interno dei nuclei di stelle, un luogo che presenta delle temperature molto alte che alimentano la fusione dei protoni, fino ad arrivare a formare degli elementi progressivamente più pesanti.
I ricercatori è da molto tempo che si domandano su cosa potrebbe dare origine agli elementi più pesanti del ferro presenti nell’universo. Tra questi sono presenti l’oro e il platino, materiali la cui formazione richiede più energia di quella che una stella potrebbe avere a sua disposizione.
La nuova ricerca, pubblicata su Astrophysical Journal Letters e condotta dagli scienziati del Mit e dell’Università del New Hampshire, ha scoperto che tra le due sorgenti di metalli pesanti potenzialmente più interessanti, che sono rispettivamente la fusione di due stelle di neutroni e quella di un buco nero e una stella di neutroni, una risulta essere più promettente dell’altra. Si potrebbe arrivare anche a definirla una vera e propria “miniera d’oro”.
La ricerca svolta ha effettuato, per la prima, il confronto di due tipologie di fusione in termini di produzione di metalli pesanti. I ricercatori, basandosi sull’analisi condotta, hanno scoperto che negli ultimi 2.5 miliardi di anni sono stati prodotti più metalli pesanti nelle fusioni di stelle di neutroni che nelle fusioni tra una stella di neutroni e un buco nero. I risultati ottenuti dalla ricerca potrebbero inoltre aiutare gli scienziati a riuscire a determinare la velocità con cui i metalli pesanti vengono prodotti.
La creazione di elementi pesanti
Gli scienziati, per molto tempo, hanno ritenuto che le supernove fossero la sorgente, per eccellenza, degli elementi più pesanti del ferro nell’universo. Il ferro presente all’interno di una stella massiccia, nel momento in cui collassa in una supernova, potrebbe finire per combinarsi con elementi più leggeri, generando così elementi più pesanti. Nonostante ciò, nel 2017, è stato confermato un candidato molto più promettente, una fusione di due stelle di neutroni.
Ligo e Virgo, nel 2017, per la prima volta hanno rilevato delle onde gravitazionali. Queste hanno avuto origine ad una distanza di 130 milioni di anni luce dalla Terra, da una collisione tra due stelle di neutroni. La fusione cosmica individuata ha prodotto un lampo di luce, che conteneva degli indizi sulla presenza di metalli pesanti.
Hsin-Yu Chen, del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, ha spiegato che: “La quantità d’oro prodotto attraverso la fusione è stata equivalente a parecchie volte la massa della Terra. Questa scoperta ha completamente cambiato ciò che sapevamo. La matematica ha infatti mostrato che le binarie di stelle di neutroni, sono un modo molto più efficiente per riuscire a creare degli elementi pesanti in confronto alle supernove”.
Hsin-Yu Chen, insieme ai suoi colleghi, si è domandato in quale misura le fusioni di stelle di neutroni, potrebbero essere paragonate alla collisione tra una stella di neutroni e un buco nero. Questo è un altro tipo di fusione rilevato da Ligo e Virgo, che potrebbe rappresentare una fabbrica di metalli pesanti. I ricercatori ritengono che, in determinate condizioni, un buco nero potrebbe riuscire a distruggere una stella di neutroni, generando così dei rigurgiti di metalli pesanti, prima di inghiottire completamente la stella.
La ricerca
Il team di ricerca ha deciso quindi di quantificare la quantità d’oro, e altri metalli pesanti, che ognuna di queste due tipologie di fusioni potrebbe normalmente produrre. Il team, per effettuare le analisi, si è concentrato sulle informazioni raccolte da Ligo e Virgo. Queste riguardano due fusioni di coppie di stelle di neutroni e due fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri.
Il team, dapprima, ha stimato la massa di ciascun oggetto in ogni fusione. Successivamente, ha quantificato la velocità di rotazione di ciascun buco nero, concentrandosi sul fatto che se un buco nero fosse troppo massiccio o troppo lento, inghiottirebbe una stella di neutroni prima di avere la possibilità di poter produrre degli elementi pesanti.
Il team ha anche quantificato la resistenza di ogni stella di neutroni nel momento della sua distruzione. Così facendo ha scoperto che più una stella è resistente, meno è probabile che crei degli elementi pesanti. I ricercatori, basandosi sulle osservazioni di Ligo, Virgo ed altri osservatori, hanno inoltre stimato la frequenza con cui si verifica un certo tipo di fusione.
Il team, per concludere, si è avvalso di simulazioni numeriche per poter determinare la quantità media d’oro ed altri metalli pesanti che ogni fusione produrrebbe, considerando diverse combinazioni di massa, rotazione, grado di perturbazione e tasso di incidenza degli oggetti.
Conclusioni
I ricercatori, hanno scoperto che mediatamente le fusioni di stelle di neutroni binarie, potrebbero generare da 2 a 100 volte più metalli pesanti rispetto alle fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri. La bilancia potrebbe quindi pendere verso le fusioni tra stella di neutroni e buco nero, se quest’ultimi avessero degli spin elevati e delle masse basse. Nonostante ciò, nei casi rilevati fin’ora i ricercatori non hanno ancora osservato questa tipologia di buchi neri.
Hsin-Yu Chen e i suoi colleghi sperano che con le nuove osservazioni di Ligo e Virgo, possano migliorare le stime del tasso con cui ogni fusione produce elementi pesanti. Questi tassi, a loro volta, potrebbero aiutare i ricercatori a stabilire l’età delle galassie lontane, basandosi sull’abbondanza dei loro vari elementi, allo stesso modo in cui si usa il carbonio per datare i resti dei dinosauri.
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