Una nuova analisi di reazioni nucleari solleva interrogativi sull’evoluzione delle stelle più antiche

Le stelle più antiche, che risalgono a più di 13 miliardi di anni fa, mostrano delle abbondanze di calcio sorprendentemente elevate. Tra i vari modelli suggeriti dagli astrofisici per spiegare questo curioso comportamento, uno dei più accreditati si basa sul fatto che queste vecchie stelle siano state originate dal materiale proveniente da una generazione di stelle massicce primigenie formatesi poco dopo il big bang. Queste stelle primigenie avrebbero terminato la loro esistenza in un processo di “debole supernova” (faint-supernova), ed avrebbero prodotto elementi fino a popolare la regione del calcio. Affinché questo possa accadere, le stelle primigenie avrebbero dovuto bruciare l'idrogeno in calcio attraverso una serie di cosiddette reazioni di breakout.
Tra tutte queste reazioni, quelle che coinvolgono un protone ed un nucleo di fluoro-19 si trovano ad uno snodo critico nel cammino verso la produzione di calcio: se la reazione porta all’emissione di un raggio gamma e di un nucleo di neon-20, il processo di nucleosintesi va avanti, mentre se essa porta alla produzione di una particella alfa ed un nucleo di ossigeno-16, il processo fa un passo indietro.
Visto il ruolo particolarmente delicato di queste reazioni nucleari, un gruppo di ricercatori statunitensi, canadesi ed italiani, ha raccolto ed analizzato, tramite raffinati modelli quantistici di reazioni nucleari, i dati sperimentali che sono andati accumulandosi in letteratura da oltre settant’anni sulle collisioni tra protoni e nuclei di fluoro-19. In questo modo sono state ricavate nuove stime sui tassi di queste reazioni nucleari nelle stelle e sulle loro incertezze, che sono state adoperate all’interno di complessi calcoli di nucleosintesi stellare. L’abbondanza di calcio così ottenuta è ben più bassa rispetto a quanto osservato sperimentalmente, malgrado le notevoli incertezze dovute alla difficoltà di conoscere la struttura nucleare di alcuni stati del neon-20. Questa nuova tensione tra le previsioni teoriche e le osservazioni sperimentali sul calcio nelle stelle più antiche pone dei dubbi sulla consistenza dei processi di debole supernova e richiama l’attenzione sulla necessità di ottenere nuovi dati sulle reazioni nucleari p+¹⁹F a bassa energia.
Per l’impatto dei risultati ottenuti su uno degli scenari astrofisici oggigiorno più dibattuti, il lavoro è stato segnalato come Editors’ Suggestions della rivista Physical Review C ed è stato oggetto di una sinossi sul prestigioso magazine Physics della American Physical Society.
A questo lavoro di ricerca ha contribuito, dal lato italiano, il Dr. Ivano Lombardo, ricercatore della Sezione INFN di Catania, che negli anni passati ha realizzato varie misure di basse energie ai Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN e all’acceleratore Tandem di Napoli sui canali delle reazioni nucleari p+¹⁹F in cui vengono emessi una particella alfa ed un nucleo di ossigeno-16.
Per ulteriori informazioni sull’argomento della ricerca, si rimanda all’articolo originale:
R. J. deBoer, O. Clarkson, A. J. Couture, J. Görres, F. Herwig, I. Lombardo, P. Scholz and M. Wiescher, ¹⁹F(p, γ)²⁰Ne and ¹⁹F(p,α)¹⁶O reaction rates and their effect on calcium production in Population III stars from hot CNO breakout, PHYSICAL REVIEW C 103, 055815 (2021)
ed alla sinossi su Physics:
M. Schirber, Uncertainty over First Stars, May 26, 2021 • Physics 14, s66