Come funziona una stella? E come facciamo a saperlo? La teoria spiega le reazioni nucleari che alimentano queste enormi sfere di gas dalle quali proveniamo, ma ad ogni teoria servono conferme. Una è arrivata grazie ai neutrini fotografati dall’esperimento Borexino.
Si fa presto a dire fusione. Chiunque abbia qualche conoscenza di base di astronomia sa che le stelle non sono altro che gigantesche fornaci alimentate da meccanismi di fusione nucleare. I nuclei di Idrogeno, grazie all’enorme pressione generata dalla massa stessa della stella, si fondono per generare nuclei di Elio sprigionando energia. E quando finisce l’Idrogeno? Cominciano altre interazioni di fusione a partire dai nuclei di Elio che vanno via via a produrre la maggior parte degli altri elementi della tavola periodica (fino al Ferro). La produzione diretta di Elio per fusione dei nuclei di Idrogeno è senza dubbio il processo predominante, ma nell’evoluzione di molte stelle a un certo punto si affianca un altro meccanismo, detto ciclo carbonio-azoto (CNO).
La produzione di Elio per fusione dei nuclei di Idrogeno è il processo predominante anche sul Sole, ma nell’evoluzione di molte stelle a un certo punto si affianca il ciclo carbonio-azoto (Immagine: nasa.gov)
Anche in questo caso l’energia porta alla produzione di Elio, ma alla reazione partecipano altri tre elementi: carbonio, azoto e ossigeno che appunto danno il nome al processo. Senza entrare nei dettagli, partendo da quattro nuclei di idrogeno alla fine della reazione si ottengono un nucleo di elio, due neutrini, due positroni e raggi gamma, mentre carbonio, azoto e ossigeno funzionano da «catalizzatori» e quindi non vengono consumati.
Ma come facciamo a sapere che esiste il ciclo CNO?
Secondo il Modello Solare accettato nelle stelle di almeno una volta e mezzo la massa solare, il solo processo di fusione pp (protone-protone) non sarebbe sufficiente a generare abbastanza energia da impedire che la stella imploda per via della sua stessa gravità. È in queste stelle che il ciclo CNO diventa predominante.
Questo però, finora, era stato solo ipotizzato: nonostante tutti i conti tornassero, mancava ancora una conferma sperimentale, che è arrivata in queste settimane grazie a un esperimento condotto ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN).
La sfera di nylon piena di liquido scintillatore dell’esperimento Borexino (Immagine: INFN via interactions.org)
L’esperimento Borexino
L’esperimento Borexino consiste in un imponente apparato per rilevare i neutrini. Non quelli appositamente generati dalle collisioni al CERN (quello è il compito di OPERA), ma quelli «naturali». In particolare Borexino è interessato proprio a quelli che vengono dallo spazio, quei neutrini a bassa energia che sono emessi durante le reazioni di fusione.
Come sappiamo i neutrini sono particelle molto elusive, ma non abbastanza per Borexino che, oltre a contare sulla schermatura dai raggi cosmici data dai 1400 metri di roccia dei laboratori del Gran Sasso, è costruito a compartimenti come una serie di scatole cinesi in modo che solo i neutrini possano raggiungere il cuore dello strumento, una sfera piena di 300 tonnellate di liquido scintillatore. Qui, quando i neutrini si scontrano con gli elettroni del liquido (una soluzione di pseudocumene e di difenilossazolo) si genera un piccolo lampo visibile grazie a 2200 fotomoltiplicatori. Secondo quanto annunciato dai responsabili dell’esperimento, i dati raccolti dall’apparato (unico nel suo genere: al momento è il più sensibile rilevatore di neutrini a bassa energia del pianeta) confermano i modelli teorici, sia per quanto riguarda la catena pp che per il ciclo CNO.
Geoneutrini
L’esperimento Borexino, frutto di una collaborazione internazionale che coinvolge Italia (con l’INFN), Francia, Germania, Polonia, Russia e Stati Uniti, però non fa gola solo agli astronomi, anche i geologi hanno l’acquolina in bocca, poiché i neutrini non arrivano solo dallo spazio, ma anche dall’interno del pianeta (geoneutrini) per via dei processi di decadimento radioattivo, offrendo così l’occasione agli scienziati di capire meglio come funziona non solo quello che è sopra le nostre teste, ma anche quello che abbiamo sotto i piedi.
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Per approfondire:
Sui neutrini puoi leggere questo dossier dedicato ai risultati dell’esperimento OPERA e questa introduzione allo studio dei neutrini ai Laboratori del Gran Sasso
Sull'interno della Terra puoi leggere in questi articoli: