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Astronomia

Scritto da Marco Fiorini

NAtomo di Elio - (CC) BruceBlauson ci si pensa quasi mai, ma... da dove vengono gli elementi chimici con cui abbiamo a che fare qui sulla Terra o che osserviamo nello spazio?

"Giocare" con gli elementi per creare composti o materiali e' relativamente semplice. Anche separare e ricombinare gli elementi e' una cosa che facciamo usualmente, ad esempio con la combustione. Ma "chi è" in grado di creare, ad esempio, gli elementi che costituiscono le molecole di un composto chimico come ad esempio l'acqua?

 

All'inizio, poco dopo il Big Bang, è iniziata la sintesi (detta nucleosintesi primordiale) degli elementi più leggeri. Questi, alla fine del processo, erano praticamente solo due: l'idrogeno (75%) e l'elio (25%).

Questa fase, per quanto ne sappiamo ad oggi, e' durata per i primi tre minuti di esistenza dell'universo, subito dopo il big-bang: in quel periodo, la temperatura e la densita' dell'universo in rapidissima espansione, erano tali da permettere la fusione nucleare; poi sono scesi al di sotto della soglia e la sintesi si e' fermata.

I due elementi principali così generati, in forma di gas, erano variamente sparsi nell'universo. Il fatto che la materia non fosse distribuita in modo uniforme diede modo alla gravità di addensarla in immense nubi. Queste poi si contraevano in diversi punti e davano origine alle stelle.

Le stelle "convertono" l'idrogeno, ad altissima pressione e temperatura, in un altro elemento chimico. Questo avviene con una lieve perdita di massa: l'elio pesa leggermente meno dell'idrogeno che lo ha creato. Questa massa apparentemente "persa", si converte in una quantità di energia che è immensa, se si considera la piccola quantità di massa che viene a mancare.

La cosa interessante è che, mediante questo processo, si parte da un elemento chimico e lo si trasforma in un altro. Questo è un fenomeno ben diverso da quello a cui siamo abituati, ovvero quello in cui creiamo diversi materiali utilizzando un unico elemento o mediante combinazione di più elementi. E' un po' come la differenza che intercorre tra il combinare i mattoni in modo diverso per produrre edifici diversi e il cambiare internamente i mattoni stessi e produrne quindi nuovi tipi. E' comunque vero che anche l'uomo e' in grado di sintetizzare degli elementi.

Nelle stelle le reazioni possono avvenire a diverse temperature e pressioni; in quelle più massicce o nelle fasi finali della loro "vita", le temperature possono essere ben più alte che nel Sole, nel cui nucleo sono intorno ai 15 milioni di gradi centigradi. Temperature più alte danno origine a elementi chimici più pesanti.

Ad esempio in stelle più massicce del Sole, le temperature nel nucleo sono più alte e l'elio prodotto viene a sua volta trasformato in carbonio e ossigeno. Questo avviene anche nella fase finale della vita di una stella, la fase di gigante rossa, quando il nucleo viene compresso e surriscaldato dalla forza di gravità che non è più controbilanciata dall'energia termica prodotta dalla fusione dell'idrogeno: il surriscaldamento del nucleo, tra l'altro, fa espandere gli strati esterni della stella, che di conseguenza si raffreddano, spostando il colore della luce emessa verso il rosso.

simulazione Sole e stella gigante rossaPer le stelle a partire da 1,4 volte la massa del Sole in su, alla fine della "vita" il nucleo si contrae molto di più e le temperature di conseguenza possono salire anche oltre i 500 milioni di gradi. La fusione può quindi via via creare elementi sempre più pesanti, come il magnesio, il neon, lo zolfo, il silicio.

Per le stelle di massa oltre 10 volte quella solare, si possono produrre elementi ancora più pesanti, fino ad arrivare al ferro. La produzione di ferro richiede però più energia di quella che la fusione genera e questo produce un raffreddamento che innesca una nuova contrazione finale: in questo collasso, che dura pochi secondi, si producono densità e temperature così elevate da creare elementi più pesanti del ferro, e alla fine si produrrà un'onda d'urto che farà esplodere la stella generando il fenomeno chiamato "supernova".

Nebulosa Granchio

Le stelle sono quindi le "fornaci" che creano i nuovi elementi chimici.
Il numero atomico è il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo, e in un atomo neutro corrisponde anche al numero di elettroni. Ogni elemento ha un proprio numero atomico.
Teoricamente non esiste un limite superiore al numero atomico che un elemento chimico possa avere, ma e' anche vero che gli elementi oltre il piombo (numero atomico 82) sono radioattivi e, più si sale, più rapidamente decadono. Gli elementi noti al momento sono 118, di cui 96 presenti naturalmente sulla Terra.

Questo ci fa capire comunque che gli elementi chimici nell'universo sono sempre gli stessi: quelli che ci sono noti qui sulla Terra sono gli stessi che possiamo trovare in ogni altra parte dell'universo.
I materiali che quegli elementi possono produrre, possono invece essere molto diversi. Essi infatti sono creati mettendo insieme diversi elementi chimici e, a seconda delle condizioni in cui questi elementi vengono combinati, la struttura che il materiale assume può essere molto diversa e dare al materiale stesso proprietà profondamente diverse.

Quando vediamo degli extraterrestri nei film, spesso queste forme di vita, talvolta stravaganti, utilizzano materiali che sulla Terra sono sconosciuti; chiaramente si tratta di fantascienza, ma se la situazione si presentasse nella realtà, gli elementi chimici che li costituirebbero, sarebbero sempre quelli.
Anche qui sulla Terra siamo sempre alla ricerca di nuovi materiali, ed e' per questo che esiste una scienza apposita che cerca di creare materiali con proprietà nuove, adatti a nuove necessità.