Origine degli elementi

Dove si sono formati questi elementi? Noi sappiamo, per esempio, anche osservando le stelle della nostra Via Lattea, della nostra galassia, che le stelle più vecchie, quelle stelle che si sono formate dieci miliardi di anni fa sono più povere di elementi pesanti delle stelle più giovani. Per elementi pesanti, intendiamo quelli più pesanti d’idrogeno ed elio, cioè l’ossigeno, il carbonio, il magnesio, il ferro, tutti gli altri elementi. Sappiamo anche che la galassia più lontana, quella a tredici miliardi di anni luce, osservata dal telescopio Hubble, contiene elementi pesanti, sono un po’ meno abbondanti che nel nostro sole, che nella nostra Via Lattea, però gli elementi pesanti ci sono, ci sono tutti, perché dall’analisi dello spettro possiamo fare un’analisi chimica quantitativa.
E allora, dove si sono formati questi elementi? Evidentemente si devono essere formati fra i quattrocento mila anni, dall’inizio dell’espansione, e i settecento milioni di anni, epoca in cui noi osserviamo la galassia più lontana. Settecento milioni di anni dall’inizio dell’espansione, perché ricordo che questa galassia ha tredici miliardi di anni luce, che dalle nostre misure l’età dell’universo e tredici miliardi e settecento milioni di anni, quindi questa galassia si era già formata settecento milioni di anni dall’inizio dell’espansione; quindi, in questo intervallo si devono essere formati tutti gli altri elementi. E dove si formano gli altri elementi? Questi elementi si formano in seguito a reazioni nucleari.
Le reazioni nucleari, come ho detto prima, hanno bisogno di alte temperature, cioè che le particelle abbiano altissime velocità perché più protoni positivi possano compenetrarsi a formare nuclei pesanti. Il luogo in cui queste reazioni nucleari avvengono sono le parti centrali delle stelle. Sono le stelle che fabbricano, nel loro interno, tutti gli elementi e sono le reazioni nucleari che avvengono nell’interno delle stelle quelle che le fanno brillare, che producono energia, e le fa brillare per milioni o miliardi di anni. Quindi, vuol dire che fra quattrocento mila anni e settecento milioni di anni si devono essere formate le prime stelle. Noi non le abbiamo ancora osservate direttamente: sono troppo deboli, troppo lontane, però ci sono degli indizi, sia pure molto incerti, per ora e forse il prossimo, il successore del telescopio spaziale riuscirà a risolvere il problema, ci sono degli indizi che le prime stelle si siano formate fra trecento o duecento milioni di anni, dall’inizio dell’espansione.
E queste stelle, ci sono delle stelle molto più grandi del Sole, che hanno una massa cinquanta, cento volte la massa del Sole che alla fine della loro vita danno luogo a tutta una serie accelerata di reazioni nucleari, nel corso delle quali, producono tutti gli elementi che noi osserviamo sulla Terra. E la produzione di energia è tale e tutta concentrata nel giro dell’ultima mezz’ora della loro vita, vita che dura milioni di anni, che queste stelle non riescono a dissiparla tranquillamente nello spazio come fa il nostro Sole, che pure al suo interno, ha delle reazioni nucleari, trasformando l’idrogeno in elio, producendo energia e tanta ne produce tanta ne irraggia dalla superficie, che è quella che illumina la Terra e il sistema solare; ma queste altre stelle, ne producono tanta e in modo così accelerato che a un certo momento esplodono. È il fenomeno della supernova, fenomeno che osserviamo abbastanza raro, ma che osserviamo frequentemente nelle varie galassie; per esempio, l’ultima supernova osservabile addirittura a occhio nudo è esplosa nella grande nube di Magellano, che è una galassia satellite della nostra che si trova circa a duecento mila anni luce da noi e questa esplosione avvenne nel febbraio del 1987, quindi è stato un grosso evento.

Ora, queste supernove sono quelle che producono tutti gli elementi pesanti e esplodendo li sparpaglia nel mezzo interstellare e vanno ad arricchire quello stesso mezzo da cui, poi, si formano nuove stelle, con i loro pianeti, anche noi siamo fatti di materia che è stata costruita nell’interno delle stelle.
Tutti gli elementi che formano il nostro corpo come il ferro del nostro sangue, il calcio delle nostre ossa, sono stati costruiti nell’interno di queste stelle. Oggi, così, capiamo anche, quale è l’origine degli elementi e questa produzione dei primi elementi pesanti che sono avvenute, quando l’universo era a metà, quando, diciamo, l’espansione era cominciata da trecento o quattrocento milioni di anni. Infatti osserviamo, che questo arricchimento degli elementi pesanti, deve essere stato molto rapido nei primi miliardi di vita dell’universo. Per esempio, nella nostra galassia vediamo che le stelle più vecchie, che hanno dieci, undici miliardi di anni sono più poveri di elementi pesanti del nostro Sole.
Il Sole ha cinque miliardi di anni, però le stelle, anche loro sia quelle di cinque miliardi di anni e quelle di formazione più recente che risalgono a mezzo milione di anni fa, hanno praticamente la stessa composizione chimica. Questo vuol dire, che c’è stato un rapido arricchimento di elementi pesanti nei primi miliardi di vita dell’universo e poi è andato gradualmente diminuendo; cioè nei primi miliardi di vita dell’universo c’è stata una produzione accelerata di queste grandi stelle che sono esplose come supernove e hanno arricchito l’universo di elementi pesanti.
Per cui, oggi, ci rendiamo anche conto che noi siamo il prodotto dell’evoluzione dell’universo, perché se non ci fossero state le grandi stelle che hanno prodotto tutti questi elementi, che hanno permesso la formazione di pianeti non ci saremmo nemmeno noi.

Siamo un prodotto dell’evoluzione dell’universo che però ha la capacità di osservare ed interpretare l’universo. Ecco, questo è quello che sappiamo oggi sull’evoluzione. Ma il grosso problema è, se è veramente cominciato l’universo da un volume estremamente piccolo, che dovrebbe avere delle dimensioni, secondo la fisica quantistica, non inferiore a dieci alla meno trentatré centimetri, che vuol dire un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro, oppure questo universo è sempre esistito, è infinito nel tempo e nello spazio. E quello che noi chiamiamo inizio è solo l’inizio dell’espansione? Non lo sappiamo. E, perché è cominciata l’espansione? Per esempio, se l’universo è infinito, un infinito estremamente denso e caldo, a un certo momento è cominciato ad espandere, a raffreddarsi, quale energia ha prodotto l’espansione? Anche questo non lo sappiamo.

Si fanno dei modelli, dei tentativi per cercare di capire, delle analogie, direi piuttosto. Un’analogia che si fa è che l’universo possa essere in qualche modo analogo ad un atomo. Un atomo che cos’è? Un atomo… Prendiamo l’atomo d’idrogeno: l’atomo d’idrogeno ha un nucleo positivo, un protone, e un elettrone negativo. In condizioni di riposo, diciamo, stazionario, l’elettrone si trova nelle condizioni di minima energia, ma io posso dare energia a questo atomo, sia bombardandolo con delle particelle, sia facendolo assorbire delle radiazioni che portano l’elettrone dallo stato di minima energia a uno stato di energia più alta, cioè lo stato eccitato, e da questo, un elettrone riscende sempre allo stato fondamentale, rimettendo l’energia che aveva assorbita. Non sappiamo quando questo accade, si sa solo che c’è la probabilità che l’elettrone riscenda nello stato fondamentale. Quando questo succederà, rimetterà l’energia che aveva assorbita.
Si fa, appunto, l’analogia dell’universo con l’atomo, è un po’ azzardata, però, appunto, tanto per cercare di capire cosa possa essere successo, se questo universo potrebbe aver ricevuto dell’energia, non sappiamo da dove, ne sappiamo quale, portandolo in uno stato eccitato e a un certo momento ridiscendendo nello stato fondamentale, rimettendo così, l’energia assorbita, energia che da luogo all’espansione.