I fisici al lavoro sull'esperimento Borexino, un rilevatore di particelle nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso,
I risultati delle osservazioni hanno mostrato che la metallicitànucleo solare è superiore a quanto previsto dal modello solare standard. Ricordiamo che in astrofisica la metallicità è il contenuto di qualsiasi elemento chimico più pesante dell'idrogeno e dell'elio, e non solo dei metalli.
Reazioni termonucleari al sole
L'energia prodotta dalle stelle è una delleprodotti della nucleosintesi, la formazione di vari elementi chimici nel processo di fusione nucleare all'interno di una stella. Si ritiene che la nucleosintesi stellare sia iniziata con la formazione di idrogeno, elio e litio durante il Big Bang. Il principale processo chimico che genera la maggior parte dell'energia nei nuclei delle stelle della sequenza principale (lo stadio principale dell'evoluzione delle stelle) è la fusione dell'idrogeno.
Durante questo processo, chiamato ancheBruciando l'idrogeno (anche se non ha nulla in comune con la combustione dell'idrogeno gassoso in presenza di ossigeno), quattro protoni si combinano per formare un nucleo di elio. Esistono due processi predominanti mediante i quali viene sintetizzato l'idrogeno stellare: la catena protone-protone e il ciclo carbonio-azoto-ossigeno (CNO).
Circa il 99% dell'energia solare viene prodotta inil risultato di reazioni a catena protone-protone. Il ciclo comprende tre fasi. Innanzitutto, due protoni che hanno energia sufficiente per superare la barriera di Coulomb si fondono per formare un deutone, un positrone e un neutrino elettronico. Nella seconda fase, un deutone si fonde con un protone per formare un nucleo di elio-3. Infine, i due nuclei di un atomo di elio-3 si fondono per formare il nucleo di un atomo di elio-4. Questo rilascia due protoni, che innescano nuove reazioni.
Il resto dell'energia solare viene fornitocome risultato delle reazioni del ciclo CNO. Si tratta di una serie di reazioni termonucleari (compresa la combustione di ossigeno e carbonio), in cui carbonio, ossigeno e azoto agiscono da catalizzatori, contribuendo alla conversione degli atomi di idrogeno (protoni) in atomi di elio-4. Sia la catena protone-protone che il ciclo CNO producono neutrini come sottoprodotti.
Catena protone-protone. Sarang, Pubblico dominio, tramite Wikimedia Commons
Ciclo CNO. Immagine: Kirill Borisenko, CC BY-SA 4.0, tramite Wikimedia Commons
Misurare la composizione interna del Sole
Fino ad ora, gli astrofisici hanno avuto due modi per studiare la composizione interna di una stella più vicina alla Terra. Queste sono la spettroscopia e l'eliosismologia.
Spettroscopia del Sole. Immagine: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF
Quando si utilizza la spettroscopia, gli scienziatiAnalizza lo spettro della luce solare per cercare le “impronte digitali” di vari elementi chimici. Ognuno di essi assorbe la luce con una determinata lunghezza d'onda, di conseguenza, a seconda della composizione, sullo spettro si formano linee scure - linee di assorbimento.
A proposito, è stato grazie alla spettroscopial'elio fu scoperto per la prima volta. Questo elemento non è stato scoperto sulla Terra in quel momento, osservando la sua linea di assorbimento sullo spettro della luce solare nella cromosfera di una stella durante un'eclissi solare, i ricercatori hanno scoperto che c'è qualche elemento aggiuntivo che (come si credeva allora) non avvengono sul nostro pianeta.
Un'illustrazione della propagazione delle onde acustiche all'interno del Sole. Immagine: ESA, NASA
Viene chiamato il secondo approccio all'analisi della composizione di una stellaeliosismologia. Gli scienziati che utilizzano questo metodo misurano le onde sonore che raggiungono la superficie del Sole dopo essere state riflesse all'interno della stella. Inoltre, più gli elementi sono pesanti sul Sole, più impediscono la penetrazione delle onde sonore in superficie, il che significa maggiore è la metallicità della stella.
In passato, i metodi proposti hanno dato risultati comparabilistime, ma man mano che la precisione della misurazione migliorava, i dati divergevano. Per riconciliare (o litigare) i due metodi di misurazione, i ricercatori hanno escogitato un nuovo approccio.
Nel 2020, i fisici lo hanno annunciato per la prima voltascoperto i neutrini del ciclo solare CNO utilizzando i rivelatori dell'esperimento Borexino. Hanno raccolto dati tra gennaio 2017 e ottobre 2021, osservando una media di 4,8 neutrini CNO al giorno. In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, gli scienziati riferiscono di aver dimezzato l'errore delle misurazioni precedenti e di determinare con maggiore precisione il contenuto di carbonio e azoto nel nucleo del Sole.
Qual è la metallicità del Sole?
Dall'inizio degli anni 2000, le misurazioni effettuate conl'uso della spettroscopia e dell'eliosismologia ha cominciato a divergere. Il primo metodo di misurazione ha mostrato un contenuto di elementi pesanti inferiore rispetto all'analisi delle onde sonore. I risultati delle osservazioni dei neutrini confermano la teoria dell'alta metallicità degli eliosismografi: dicono che la quantità di elementi pesanti è del 9-58% in più rispetto a quanto suggerito dalla teoria basata sulla spettroscopia.
Una possibile spiegazione per queste differenze inmisurazioni potrebbe esserci una differenza nella concentrazione di elementi chimici sulla superficie e all'interno del nucleo della stella. Questa ipotesi è proposta dagli astrofisici che hanno pubblicato i risultati della loro modellizzazione sulla rivista Astronomy & Astrofisica. Hanno dimostrato che se il Sole avesse raccolto materiale dal disco protosolare in modo non uniforme durante la sua formazione, la metallicità del suo nucleo potrebbe essere superiore del 5% rispetto alla superficie.
Per ora questa è solo un'ipotesi che possano farloconfermare o smentire misurazioni future. Ma questa ipotesi fa sperare che i ricercatori che utilizzano approcci diversi per le loro misurazioni riescano a raggiungere un consenso e creare un modello unificato e coerente del Sole, e quindi a comprendere meglio come funzionano le altre stelle, la cui distanza non consente l'uso di tanti strumenti alternativi.
Il fatto che c'è molto di più dentro il solepiù carbonio, ossigeno e azoto "cambia la comprensione di come si formano gli elementi chimici, come si sviluppano le stelle, come vivono e muoiono", osservano gli scienziati.
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Immagine di copertina: NASA/GSFC/SDO