Il materiale ricco di neutroni viene espulso dal disco, consentendo il processo di cattura rapida dei neutroni (processo r). La regione azzurra è un’espulsione di materia particolarmente veloce, chiamata getto, che si origina tipicamente parallelamente all’asse di rotazione del disco. Crediti: National Radio Astronomy Observatory, Usa
Come vengono prodotti gli elementi chimici nell’universo? Da dove vengono gli elementi pesanti come l’oro e l’uranio? Utilizzando simulazioni al computer, un gruppo di ricerca del Gsi Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt, insieme a colleghi belgi e giapponesi, ha mostrato che la sintesi di elementi pesanti è tipica di alcuni buchi neri circondati da dischi di accrescimento. L’abbondanza prevista degli elementi formati nelle circostanze analizzate ha fornito informazioni su quali elementi pesanti dovrebbero essere studiati nei futuri laboratori – come la Facility for Antiproton and Ion Research (Fair), attualmente in costruzione – per svelare l’origine degli elementi pesanti.
Tutti gli elementi pesanti presenti oggi sulla Terra si sono formati in condizioni estreme in ambienti astrofisici: all’interno delle stelle, nelle esplosioni stellari e durante la collisione di stelle di neutroni. I ricercatori si sono sempre chiesti in quale di questi eventi astrofisici esistano le condizioni migliori per la formazione degli elementi più pesanti, come l’oro o l’uranio. Nel 2017, la prima osservazione di onde gravitazionali e radiazioni elettromagnetiche originate da una fusione di stelle di neutroni, ha suggerito che molti elementi pesanti potrebbero essere prodotti in queste collisioni cosmiche. Tuttavia, rimane aperta la domanda su quando e perché il materiale viene espulso e se ci sono altri scenari in cui possono essere prodotti elementi pesanti.
I buchi neri circondati da un disco di accrescimento di materia densa e calda rappresentano candidati promettenti. Un tale sistema si può formare sia in seguito alla fusione di due stelle di neutroni massicce, sia in presenza di una collapsar – una stella di Wolf-Rayet in rapida rotazione attorno al proprio asse avente un nucleo di massa superiore alle 30 masse solari – che, collassando, può generare un buco nero in rotazione. La composizione interna dei dischi di accrescimento non è ancora ben compresa, in particolare le condizioni in cui si forma un eccesso di neutroni. Un numero elevato di neutroni è un requisito fondamentale per la sintesi di elementi pesanti, poiché consente il processo di cattura rapida dei neutroni (chiamato anche processo r). In questo processo, i neutrini svolgono un ruolo chiave, poiché consentono la conversione tra protoni e neutroni.
«Nel nostro studio, abbiamo analizzato sistematicamente per la prima volta i tassi di conversione di neutroni e protoni per un gran numero di configurazioni di dischi, mediante elaborate simulazioni al computer, e abbiamo scoperto che i dischi, finché valgono determinate condizioni, sono molto ricchi di neutroni», spiega Oliver Just del gruppo di astrofisica relativistica del Gsi. «Il fattore decisivo è la massa totale del disco. Più il disco è massiccio, più spesso si formano neutroni da protoni per cattura elettronica con emissione di neutrini, e sono disponibili per la sintesi di elementi pesanti mediante il processo r. Tuttavia, se la massa del disco è troppo alta, la reazione inversa gioca un ruolo predominante e più neutrini vengono catturati dai neutroni prima di lasciare il disco. Questi neutroni vengono quindi riconvertiti in protoni, il che ostacola il processo r».
Come mostra lo studio, la massa ottimale del disco per una prolifica produzione di elementi pesanti è di circa 0.01-0.1 masse solari. Il risultato fornisce una forte evidenza che le fusioni di stelle di neutroni che producono dischi di accrescimento con queste masse potrebbero essere il luogo di origine per una grande frazione degli elementi pesanti. Al momento non è chiaro se e con quale frequenza tali dischi di accrescimento si verificano nelle collapsar.
Oltre ai possibili processi di espulsione di massa, il gruppo di ricerca guidato da Andreas Bauswein sta studiando anche i segnali luminosi generati dalla materia espulsa, che verranno utilizzati per dedurre la massa e la composizione di tale materia in future osservazioni di collisioni di stelle di neutroni. Un elemento importante per la corretta lettura di questi segnali luminosi è la conoscenza accurata delle masse e di altre proprietà degli elementi appena formati. «Questi dati sono attualmente insufficienti. Ma con la prossima generazione di acceleratori come Fair, in futuro sarà possibile misurarli con una precisione senza precedenti. L’interazione ben coordinata di modelli teorici, esperimenti e osservazioni astronomiche, nei prossimi anni ci consentirà di testare le fusioni di stelle di neutroni come origine degli elementi dal processo r», conclude Bauswein.
Per saperne di più:
- Leggi su Monthly Notice of the Royal Astronomical Society l’articolo “Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs” di O Just, S Goriely, H-Th Janka, S Nagataki e A Bauswein