Gli astronomi hanno individuato lo stronzio all'indomani di una collisione tra due stelle di neutroni. Questa è la prima volta che un elemento pesante viene mai identificato in un chilonova, le conseguenze esplosive di questi tipi di collisioni. La scoperta mette un buco nella nostra comprensione di come si formano gli elementi pesanti.
Nel 2017, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e l'osservatorio europeo VIRGO hanno rilevato onde gravitazionali provenienti dalla fusione di due stelle di neutroni. L'evento di fusione si chiamava GW170817 e mancavano circa 130 milioni di anni luce alla galassia NGC 4993.
Il chilonova risultante si chiama AT2017gfo e l'Osservatorio europeo meridionale (ESO) gli ha puntato diversi telescopi per osservarlo a diverse lunghezze d'onda. In particolare, hanno puntato il Very Large Telescope (VLT) e il suo strumento sparatutto X sul chilonova.
Lo X-shooter è uno spettrografo a più lunghezze d'onda che osserva nella luce visibile ultravioletta B (UVB,) e Near Infrared (NIR.) Inizialmente, i dati dello shooter X suggerivano che erano presenti elementi più pesanti nel chilonova. Ma fino ad ora, non sono stati in grado di identificare i singoli elementi.
"Questa è la fase finale di un inseguimento decennale per definire l'origine degli elementi."
Darach Watson, autore principale, Università di Copenaghen.
Questi nuovi risultati sono presentati in un nuovo studio intitolato "Identificazione dello stronzio nella fusione di due stelle di neutroni". L'autore principale è Darach Watson dell'Università di Copenaghen in Danimarca. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Natura il 24 ottobre 2019.
"Rianalizzando i dati del 2017 dalla fusione, abbiamo ora identificato la firma di un elemento pesante in questa palla di fuoco, lo stronzio, dimostrando che la collisione delle stelle di neutroni crea questo elemento nell'Universo", ha affermato Watson in un comunicato stampa.
La forgiatura degli elementi chimici si chiama nucleosintesi. Gli scienziati lo sanno da decenni. Sappiamo che gli elementi si formano nelle supernove, negli strati esterni delle stelle che invecchiano e nelle stelle normali. Ma c'è stata una lacuna nella nostra comprensione quando si tratta della cattura di neutroni e di come si formano gli elementi più pesanti. Secondo Watson, questa scoperta colma questa lacuna.
"Questa è la fase finale di un inseguimento decennale per definire l'origine degli elementi", afferma Watson. “Ora sappiamo che i processi che hanno creato gli elementi sono avvenuti principalmente nelle stelle ordinarie, nelle esplosioni di supernova o negli strati esterni di vecchie stelle. Ma, fino ad ora, non conoscevamo la posizione del processo finale, da scoprire, noto come acquisizione rapida di neutroni, che ha creato gli elementi più pesanti nella tavola periodica. "
Esistono due tipi di cattura dei neutroni: rapida e lenta. Ogni tipo di cattura di neutroni è responsabile della creazione di circa la metà degli elementi più pesanti del ferro. La rapida cattura dei neutroni consente a un nucleo atomico di catturare i neutroni più velocemente di quanto possa decadere, creando elementi pesanti. Il processo è stato elaborato decenni fa e le prove circostanziali hanno indicato i kilonova come il luogo probabile per il rapido processo di cattura dei neutroni. Ma fino ad ora non è mai stato osservato in un sito astrofisico.
Le stelle sono abbastanza calde per produrre molti degli elementi. Ma solo gli ambienti caldi più estremi possono creare elementi più pesanti come lo Stronzio. Solo quegli ambienti, come questo kilonova, hanno abbastanza neutroni liberi intorno. In un chilonova, gli atomi sono costantemente bombardati da un numero enorme di neutroni, consentendo al rapido processo di cattura dei neutroni di creare gli elementi più pesanti.
"Questa è la prima volta che possiamo associare direttamente il materiale appena creato formato mediante cattura di neutroni con una fusione di stelle di neutroni, confermando che le stelle di neutroni sono costituite da neutroni e legando il processo di cattura dei neutroni rapido a lungo dibattuto a tali fusioni", afferma Camilla Juul Hansen del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, che ha svolto un ruolo importante nello studio.
Anche se i dati degli sparatutto X sono in circolazione da un paio d'anni, gli astronomi non erano certi di vedere stronzio nel chilonova. Pensavano di vederlo, ma non potevano esserne sicuri subito. La nostra comprensione delle kilonovae e delle fusioni di stelle di neutroni è tutt'altro che completa. Ci sono complessità negli spettri degli sparatutto X del kilonova che devono essere elaborati, in particolare quando si tratta di identificare gli spettri di elementi più pesanti.
“In realtà ci è venuta l'idea che potremmo vedere lo stronzio abbastanza rapidamente dopo l'evento. Tuttavia, dimostrando che ciò era evidentemente il caso si è rivelato molto difficile. Questa difficoltà era dovuta alla nostra conoscenza altamente incompleta dell'aspetto spettrale degli elementi più pesanti nella tavola periodica ", afferma Jonatan Selsing, ricercatore dell'Università di Copenaghen, autore chiave del documento.
Fino ad ora, la rapida cattura dei neutroni era molto dibattuta, ma mai osservata. Questo lavoro riempie uno dei buchi nella nostra comprensione della nucleosintesi. Ma va oltre. Conferma la natura delle stelle di neutroni.
Dopo che il neutrone fu scoperto da James Chadwick nel 1932, gli scienziati proposero l'esistenza della stella di neutroni. In un articolo del 1934, gli astronomi Fritz Zwicky e Walter Baade avanzarono l'idea che "una supernova rappresenta la transizione di una stella normale in unstella di neutroni, costituito principalmente da neutroni. Una tale stella può avere un raggio molto piccolo e una densità estremamente elevata. "
Tre decenni dopo, le stelle di neutroni furono collegate e identificate con pulsar. Ma non c'era modo di provare che le stelle di neutroni fossero costituite da neutroni, perché gli astronomi non potevano ottenere una conferma spettroscopica.
Ma questa scoperta, identificando lo stronzio, che avrebbe potuto essere sintetizzato solo con un flusso di neutroni estremo, dimostra che le stelle di neutroni sono effettivamente fatte di neutroni. Come affermano gli autori nel loro articolo, "L'identificazione qui di un elemento che avrebbe potuto essere sintetizzato così rapidamente sotto un flusso di neutroni estremo, fornisce la prima prova spettroscopica diretta che le stelle di neutroni comprendono la materia ricca di neutroni".
Questo è un lavoro importante. La scoperta ha colmato due buchi nella nostra comprensione dell'origine degli elementi. Conferma osservativamente ciò che gli scienziati sapevano teoricamente. E va sempre bene.
Di Più:
- Comunicato stampa: prima identificazione di un elemento pesante nato dalla collisione di una stella di neutroni
- Research Paper: Identificazione dello stronzio nella fusione di due stelle di neutroni
- Wikipedia: Neutron Capture
- 1934 Paper: Raggi cosmici di Super-Novae
