Noi sappiamo che la nucleosintesi stellare, ovvero le reazioni nucleari che avvengono all’interno di una stella, con l’effetto di produrre i nuclei degli elementi chimici arriva al massimo al ferro, da cui per cattura di un nucleo di elio si può arrivare arrivare al nichel. Tutti gli altri elementi più pesanti, compreso l’oro, sono prodotti attraverso altri processi, essenzialmente attraverso la cattura di neutroni.
Questo processo può essere di due tipi: lento o rapido. Quest’ultimo si verifica nelle esplosioni delle supernove con tempi scala di alcuni secondi, in presenza di massicci flussi di elettroni. Un recente studio pubblicato su Monthly Notices of Royal Astronomical Society coordinato dall’astronomo Oliver Just, del Centro Helmhotz di Darmstadt per la ricerca sugli ioni pesanti individua una nuova “miniera” per la formazione degli elementi pesanti, oro in testa. Si tratterebbe dei dischi di accrescimento che si trovano intorno ai buchi neri.
Il disco di accrescimento di un buco nero è una struttura formata da materiale che cade in una sorgente di campo gravitazionale. La conservazione del momento angolare richiede che, quando un’estesa nube di materiale collassa verso l’interno, ogni piccola rotazione che essa ha all’inizio debba aumentare. La forza centrifuga causa il collasso della nube rotante in un disco e forze di marea tendono ad allineare la rotazione del disco con la rotazione della sorgente gravitazionale posta al centro.
Attraverso numerose simulazioni al computer, durante le quali il gruppo di astronomi internazionali coordinato da Just, di volta in volta ha modificato vari parametri come la massa del disco (che non è piatto ma ha forma toroidale), la massa e la velocità di rotazione del buco nero, la viscosità dei materiale del disco, la presenza di campi magnetici, la simmetria assiale ed altri fattori si è giunti al risultato che i dischi di accrescimento dei buchi neri possono essere delle vere miniere di elementi pesanti.
Le condizioni per le quali questo processo però si può innescare dipendono dalla capacità di produrre un eccesso di neutroni che possa costituire il detonatore di questa trasformazione. In particolare questo detonatore si può attivare soltanto in caso di due particolari eventi astrofisici. Il primo è il collasso gravitazionale di una stella di grande massa (con un nucleo di oltre 30 masse solari) in rapida rotazione che in inglese prende il nome di collapsar.
Il secondo evento è la fusione di due stelle di neutroni massicce che da origine al fenomeno chiamato kilonova. Una kilonova è una esplosione astronomica che si verifica quando due oggetti celesti superdensi, come stelle di neutroni e buchi neri, si fondono tra loro. La loro luminosità è 1000 volte più intensa di quella di una stella nova e da 1/10 a 1/100 di quella di una supernova.
Lo spettro energetico di una kilonova è concentrato prevalentemente nella zona dell’infrarosso vicino, a causa dell’elevata produzione di elementi radioattivi pesanti e ricchi di neutroni che fungerebbero da “filtro” alle radiazioni con frequenze più elevate. Il primo evento di questo genere è stato osservato nel 2017 da un gruppo di astronomi a guida italiana.
Entrambi questi eventi, la collapsar e la kilonova, sono in grado di produrre un buco nero circondato da un disco di accrescimento caldo e denso in rotazione veloce. I dischi di accrescimento le cui condizioni sono più propizie per l’innesco del processo sono quelli che hanno circa 0,01 – 0,1 masse solari. Saranno necessari ancora altri studi e simulazioni per confermare che nuovi sterminati “giacimenti” di elementi pesanti sono effettivamente prodotti dai dischi di accrescimento di alcuni buchi neri.
Fonti:
alcune voci di Wikipedia
Le Scienze, gennaio 2022, ed. cartacea
