Astrofisica Nucleare

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L’astrofisica nucleare si prefigge di comprendere i meccanismi di produzione di energia nelle stelle, in tutte le fasi di evoluzione stellare, e di spiegare le abbondanze di tutti gli isotopi degli elementi che osserviamo in natura. Questi aspetti sono strettamente connessi in quanto i processi nucleari sono stati identificati come responsabili sia della produzione di energia nelle stelle, che ne regola l’evoluzione, sia, allo stesso tempo, della creazione di elementi via via più pesanti a partire dagli elementi più leggeri. Gli studi condotti durante il secolo scorso hanno dimostrato che l’essere umano è parte dell’ Universo che lo circonda anche attraverso un patrimonio comune: gli elementi chimici che compongono il suo corpo.

Al termine dell’esistenza terrena quegli elementi torneranno a far parte dello spazio e potranno dar luogo ad altri esseri viventi. Più nello specifico, i vari isotopi degli elementi sono stati creati da reazioni di fusione nucleare all’ interno, caldissimo, di stelle lontane molti miliardi di anni luce. I loro combustibili nucleari, esauritisi, hanno dato vita a stelle giganti che si sono spente in esplosioni catastrofiche ed affascinanti, chiamate Supernovae, spargendo lontano gli atomi di cui erano composte. Questo materiale, così come il materiale perso da stelle più piccole, durante le fasi di gigante rossa, può essere stato raccolto in nubi di gas nello spazio interstellare. Queste, a loro volta, collassando lentamente hanno dato vita a nuove generazioni di stelle, determinando in tal modo un ciclo di evoluzione che è ancora in corso. In questo scenario, il Sole e i suoi pianeti si sono formati circa 5 miliardi di anni fa.

La comprensione dettagliata dell'origine degli elementi chimici unisce l’astrofisica e la fisica nucleare, dando luogo all’ astrofisica nucleare. Le stelle sono alimentate da reazioni di fusione termonucleare che convertono i protoni in elementi chimici più pesanti dall’ Elio al Ferro, attraverso cicli di reazioni successivi. L'energia sviluppata da queste reazioni viene irradiata dalla superficie stellare e, nel caso del nostro Sole, rende possibile la vita sulla terra. Le reazioni di fusione termonucleare sono anche le sorgenti dei flussi di neutrini stellari che possiamo osservare sulla Terra con sofisticate tecniche sperimentali. Pertanto, conoscere la probabilità con cui queste reazioni avvengono, consente di ottenere informazioni sulla produzione di energia e di neutrini e sulla nucleosintesi degli elementi nelle stelle.

Il quadro complessivo dell’evoluzione stellare è quindi determinato dalla conoscenza dei tassi di reazione. Naturalmente l’astrofisica nucleare deve fornire una conoscenza oltremodo precisa dei diversi tassi di reazione per potersi integrare con le conoscenze fornite dall’astronomia osservativa, dalla cosmologia e dalla fisica del neutrino. Questa sfida è guidata dalla qualità e dalla vastità dei dati osservativi, si pensi ad esempio agli straordinari risultati forniti dai telescopi spaziali come INTEGRAL o HUBBLE o alla precisissima mappa del fondo cosmico fornita dal satellite Planck. Le osservazioni astronomiche delle abbondanze degli elementi sono molto utili per comprendere la struttura e l'evoluzione stellare. In alcuni casi, queste abbondanze dipendono sensibilmente dallo stato interno delle stelle e, se accompagnate da precise informazioni sui tassi delle reazioni nucleari che le hanno generate, consentono di sviluppare accurati modelli stellari. Studiare le reazioni nucleari di interesse astrofisico è pertanto fondamentale ma alquanto difficile poiché i tassi di reazione riprodotti in laboratorio alle temperature stellari sono quasi irrisori. Pertanto effettuare queste misure in un laboratorio alla superficie terrestre è quasi impossibile a causa del fondo cosmico che genera un rumore di fondo nei rivelatori molto maggiore del segnale atteso.

La soluzione migliore è quella di installare un acceleratore dedicato in un laboratorio sotterraneo, dove le rocce schermano sensibilmente gli apparati sperimentali dai raggi cosmici.