L’esperimento Borexino fornisce la prova del ciclo CNO, fondamentale nella produzione di energia nelle stelle massicce.

Uno studio ai limiti della fisica scruta all'interno delle stelle, per scovarne i meccanismi di produzione energetica.

Le stelle sono dei sistemi in equilibrio, dove una parte fondamentale dell’equilibrio è data dalla produzione energetica dovuta alla fusione nucleare nel core delle stelle. Due sono i meccanismi principali ipotizzati: il ciclo P-P ed il ciclo CNO. L’esperimento Borexino dei Laboratori del Gran Sasso ha provato l’esistenza dell’ultimo, fondamentale nella produzione energetica delle stelle massicce.

L’evoluzione delle stelle è guidata dalla produzione di energia dovuta alle reazioni nucleari che avvengono nel loro nucleo. Nella maggior parte della loro vita, la fusione nucleare nelle stelle trasforma idrogeno in elio attraverso due meccanismi che sono ipotizzati teoricamente: Il ciclo protone – protone (P-P) ed il ciclo carbonio – azoto – ossigeno (CNO). Il ciclo CNO può svilupparsi in più modi differenti, dei quale due sono i principali. Il primo è quello preponderante, il secondo coinvolge isotopi molto stabili, e in determinate circostanze può aumentare di efficienza.

Schema base del ciclo P-P, principale meccanismo di produzione energetica nel Sole. Crediti: INAF – Università di Firenze – A. Marconi

 

Schema base del ciclo CNO, principale meccanismo di produzione energetica nelle stelle massicce. Crediti: Media INAF
Schema di due diversi cicli CNO. Il primo normalmente ha una preponderanza del 99,95 % circa, ma in casi particolari il secondo può incrementare la sua efficienza. Fonte: articolo The BOREXINO collaboration

Entrambi i meccanismi producono energia e fasci di neutrini, con energie distribuite in uno spettro caratteristico.

Il ciclo CNO coinvolge atomi relativamente pesanti, in gergo astrofisico detti genericamente “metalli”, che debbono essere già presenti nella stella. I ”metalli” forniscono una certa “opacità” alle radiazioni, il che determina un aumento della temperatura del core e cambia l’evoluzione delle stelle. Questo implica che non è solo la massa della stella a determinarne le reazioni nucleari, ma anche la sua “metallicità”.

Per astri con una composizione chimica simile a quella solare, la reazione CNO diventa la fonte principale di energia oltre le 1,3 masse solari, mentre al di sotto è il ciclo P-P ad essere fondamentale.

Comunque, dato che le stelle massicce sono numerose ed evolvono rapidamente, si pensa che il ciclo CNO sia la principale fonte di conversione dell’idrogeno in elio nell’universo.

Schema di prevalenza dei vari cicli e delle varie strutture stellari a seconda della massa. Crediti: INAF – Università di Firenze – A. Marconi

Anche se le cose stanno così, è stato calcolato che il ciclo CNO dovrebbe essere responsabile dell’1% della produzione energetica del Sole. Inoltre, dato che il ciclo CNO – II coinvolge l’isotopo 16O, che alle condizioni presenti nel core solare ha una vita maggiore di quella del Sole, si pensa che questo ramo del ciclo sub – dominante nella produzione energetica.

L’unico modo che abbiamo, per determinare le reazioni nucleari all’interno del core di una stella, è quello di osservarne il flusso di neutrini in uscita, e di esaminare lo spettro energetico.

L’esperimento Borexino ed i suoi risultati

Naturalmente, dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia, si è dovuto elaborare un esperimento che li rilevasse indirettamente, mediante l’emissione che determinano in certi casi quando si scontrano con la materia. Pur essendo poco interagenti con la materia, sono talmente tanti che si possono rilevare diverse decine di interazioni al giorno.

Tra l’altro, tramite lo spettro si può risalire alla composizione chimica interna dell’astro, che si suppone sia simile a quella primordiale, dato che il core generalmente non scambia materia con le parti più esterne.

Schema esperimento Borexino. Fonte: Media INAF

L’esame dello spettro dei neutrini è stato fatto per il Sole, con l’ausilio dell’esperimento Borexino dei laboratori nazionali del Gran Sasso, durante gli studi Borexino fase I (2007 – 2010) e fase II (2012 – 2016).
In questi due studi, si è però studiata l’emissione neutrinica per il ciclo P-P, dato che l’emissione neutrinica caratteristica del ciclo CNO si sovrappone in parte con altre emissioni, che costituiscono un forte rumore di fondo. Inoltre, lo spettro di emissione neutrinica del ciclo CNO è vasto, e trovare una zona significativa è difficile.

Per studiare il ciclo CNO, dunque, è stato prima necessario eliminare il più possibile le interferenze, il che è stato fatto durante i primi due studi.

Si è quindi potuto procedere ad un terzo studio, Borexino fase III (7/2016 – 2/2020), il quale ha appunto rilevato i neutrini provenienti dal ciclo CNO del Sole, e confermato la sua realtà.
Non solo, questo studio potrà fare luce su una incongruenza riscontrata negli studi solari: studi di eliosismologia (la scienza che si occupa di indagare la propagazione delle onde di pressione sugli astri) indicano che il Sole dovrebbe avere una metallicità superiore a quella rilevata sperimentalmente.

L’osservazione dei neutrini CNO qui riportata è quindi della massima rilevanza. Da un lato, è un’importante conferma sperimentale del quadro solare complessivo; dall’altro, dimostra che una misurazione futura migliorata potrebbe determinare direttamente la metallicità del nucleo solare, fornendo un elemento chiave per la fisica solare.

 

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Red Hanuman è nato poco tempo prima che l'uomo mettesse piede sulla Luna, e cresciuto a pane e fantascienza. Poteva non sentire il richiamo delle stelle? Chimico per formazione e biologo autodidatta per necessità, ha da sempre desiderato essere un astrofisico per vocazione e diletto, ma non ha potuto coronare il suo sogno. Attualmente, lavora nel settore ambiente. Da pochi anni studia il violino. Perché continua ad usare un nickname? Perché la realtà non può essere richiusa in un nome, e perché πάντα ῥεῖ ὡς ποταμός : tutto scorre come un fiume. Ma, soprattutto, perché Red Hanuman è chiunque coltiva in sé un desiderio di conoscenza ...

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