SIAMO FIGLI DELLE STELLE

Siamo figli delle stelle           CANZONE

di Vincenzo Zappalà , pubblicato in Pianeta Terra

La canzone di Alan Sorrenti degli anni ’70 è abbastanza famosa. A parte la validità del testo e della musica, possiamo dire, senza tema di smentita, che dice una verità inoppugnabile. Tutto ciò che compone il nostro pianeta e il nostro stesso corpo proviene solo e soltanto dalle stelle. Ogni tanto, quando alziamo gli occhi al cielo, dovremmo forse ringraziarle. Ho descritto questa storia come una specie di “favola”, in modo che sia adatta anche ai bambini, magari aiutati dai genitori. So che sono cose ben conosciute, ma perché non essere semplici ogni tanto?

Questo non è un racconto di fantascienza e nemmeno una disquisizione filosofica. E’ solo e soltanto una delle poche sicurezze scientifiche che abbiamo. Cercherò allora di tradurre il titolo in una trattazione un po’ romantica, ma abbastanza rigorosa, provando anche a quantificare ciò che voglio esprimere. Inizio partendo da lontano, mantenendo, per adesso, un discorso puramente qualitativo.

Non sappiamo ancora bene cosa ci fosse e se ci fosse qualcosa all'interno di quel “punto” che ha dato origine al Big Bang. Le visioni puramente scientifiche e quelle religiose si confondono e, forse, dicono la stessa cosa: “Non si sa perché, ma quel punto ha iniziato a espandersi, creando lo spazio e il tempo e formando l’energia e la materia”.

Abbiamo discusso in altri articoli cosa potrebbe essere avvenuto nei primi miliardesimi di secondo dopo il “via”. Oggi ci limitiamo a parlare degli elementi che formano la celeberrima Tavola degli Elementi, che si studia in chimica e che riassume in sé tutto ciò che esiste nel Universo.

Essa rappresenta tutti gli elementi conosciuti, sia naturali (fino all’Uranio), che artificiali (costruiti in laboratorio e che decadono velocemente). Ad ogni elemento viene associato un numero Z, detto numero atomico che dice quanti protoni sono contenuti nel suo nucleo (l’Uranio ha numero atomico Z uguale a 92). La tavola periodica è riportata in Fig. 1, dove ogni elemento è identificato con il suo simbolo (per saperli tutti, andate a cercare in giro. E’ molto facile). I neutroni possono invece variare e allora si parla di isotopi di uno stesso elemento. Ma non vogliamo andare troppo nei dettagli, visto lo scopo dell’articolo. Una volta, gli elementi si dividevano brutalmente in metalli e metalloidi, oggi si va molto più per il sottile. Ma anche questo può essere trascurato (nel nostro articolo, ovviamente) e possiamo limitarci al numero atomico.

Figura 1. La celeberrima Tavola degli Elementi. Ogni casella identifica un elemento attraverso il suo simbolo ( H = Idrogeno, He = Elio, ecc., ecc.). Il numero si riferisce al numero atomico Z che riporta il numero di protoni esistenti nel nucleo atomico dell’elemento. Non confondiamolo con il numero dei neutroni. Questi possono variare all’interno del nucleo di un certo elemento e danno luogo ai vari “isotopi”.

La Fig. 1, ossia la Tavola degli Elementi, potrebbe essere chiamata l’Universo Chimico, ma esso non è sempre stato così. Dapprima fu solo Idrogeno, il più leggero (Z = 1), e poi, sempre in minore quantità, elementi via via più pesanti. Più pesanti, sì, ma quanto? Poco, in realtà. Si pensa che nelle fasi dopo il Big Bang si sia arrivati solo fino al Berillio (Z = 4). Questa fase viene chiamata Nucleosintesi del Big Bang e termina circa dopo tre minuti. Poi la temperatura scende e le reazioni di fusione nucleare si fermano.

Bisognerà aspettare le prime stelle per proseguire nella formazione degli elementi. Esse utilizzano, ovviamente, l’elemento più abbondante a disposizione, l’Idrogeno, e poi iniziano la loro nucleosintesi, quando raggiungono una temperatura sufficientemente alta nel loro nucleo più interno. Sicuramente, esse contengono anche gli altri elementi creatisi nei primi tre minuti, ma non li usano per il lavoro che hanno da svolgere.

Non tutte le stelle, però, sono ugualmente brave in questo compito. Quelle di piccola e media grandezza (come il nostro Sole) devono limitare la loro fusione, anche se vivono molto a lungo (fino a dieci miliardi di anni). Finito l’Idrogeno, riescono a “fondere” l’Elio, e spingersi fino al Carbonio (Z = 6) e l’Ossigeno (Z = 8). Poi devono fermarsi e morire o – meglio – trasformarsi in qualcosa d’altro (Nane Bianche). Perché?  Troppa poca massa a disposizione per raggiungere le temperature necessarie ad andare oltre.

Se il nostro Sole fosse una delle stelle primordiali formatesi dopo il Big Bang, potrebbe, perciò, regalarci solo gli elementi di numero atomico minore o uguale al Ossigeno? Purtroppo, no. Tutto ciò che è più pesante dell’Elio si forma nelle fasi finali della sua vita (fortunatamente ancora lontane, almeno 5 miliardi di anni). D’altra parte il Sistema Solare si è formato insieme al Sole e quindi può essere composto solo e soltanto dagli elementi che lui aveva a disposizione al momento della nascita. Di cosa sarebbero fatti, allora, i pianeti e la vita biologica? Solo e soltanto di Idrogeno, Elio e quel po’ di Litio e Berillio che si è formato nei primi tre minuti dell’Universo?

Sembra proprio di sì, dato che per arrivare al Carbonio e al Ossigeno dovremmo aspettare un bel po’ di tempo. E poi, comunque, che cosa ce ne faremmo, visto che saremmo giunti vicinissimi alla fine della nostra stella e dei suoi pianeti? Poco o niente.

Eppure, se facessimo un’analisi del sangue vedremmo che nel nostro corpo esiste sicuramente il Ferro (oltre ad altri elementi pesanti). Basterebbe, inoltre,  toccare il suolo o guardarci intorno per capire che la Terra non è fatta solo di Idrogeno, Elio, Litio e Berillio.

Questo fatto vuole dire due cose: il Sole non può essersi formato con la materia che esisteva dopo la Nucleosintesi del Big Bang e qualche “sorella” del Sole deve essere stata capace di fare molto meglio il proprio lavoro prima di lui. Queste sorelle esistono e sono esistite fin da tempi molto antichi. Esse altro non sono che le stelle molto più massicce della nostra. Non solo sono più efficienti, ma sanno anche sacrificarsi per le più piccole. La loro vita è, infatti, decisamente più breve, anche pochi milioni di anni. Quanto basta però per riuscire a creare elementi ben più pesanti del Carbonio.

Loro possono infatti arrivare a temperature interne ben più alte (più massa) e giungere fino al Ferro (Z = 26)  e perfino al Nichel (Z = 28). Di più non riescono a fare. Perché? Presto detto. Fino a quel punto si produce energia e tutto va bene. Da lì in poi bisogna invece assorbirla e loro non ne sono capaci. Devono proprio fermarsi e morire in modo spettacolare come supernove.

Forse allora abbiamo capito. Il Sole deve essersi formato in una fase in cui erano già morte alcune compagne simili a lui, ma soprattutto tante più massicce di lui. Ha sfruttato la loro materia, dispersa nel Universo. Il Sole ha solo trattenuto nel suo nucleo interno gli elementi più pesanti dell’Idrogeno e dell’Elio, senza poterne fare niente (solo un ricordo delle amiche sacrificatesi per lui). Li ha, però, regalati in parte anche al Sistema Solare, che è nato dalla sua stessa materia.

Deve essere andata così, non vi è altra possibilità. In altre parole, il Sole, o meglio, la nebulosa da cui ha avuto origine, non ha fatto altro che trasferire sulla Terra e sugli altri pianeti la materia recuperata da stelle morte precocemente. Tutto a posto? Nemmeno per sogno!

E’ giunta l’ora di vedere che elementi abbiamo nel nostro corpo e in che percentuale.  Questo viene mostrato in Fig. 2.

Figura 2. La Tavola degli Elementi presenti nel nostro corpo. Per ognuno di essi la “colonna” dà l’abbondanza relativa. L’Idrogeno è sempre importante, ma non è da meno il Carbonio, l’Azoto (N), l’Ossigeno, ecc. Non mancano nemmeno percentuali non trascurabili di Ferro, Silicio, Cloro, Oro, Arsenico, Mercurio, Piombo e addirittura Uranio.

Accidenti! C’è ancora qualcosa che non va. Non vediamo, infatti, solo l’Ossigeno, il Carbonio, il Ferro e il Nichel, ma anche lo Zinco (Zn, Z = 30), lo Iodio (I, Z = 53), per non parlare dell’Oro (Au, Z = 79), del Mercurio (Hg, Z = 80), del Piombo (Pb, Z = 82) e, addirittura, dell’Uranio (U, Z = 92).

Tutti questi elementi chi ci li ha regalati? E non li possediamo solo noi, ma tutta la Natura che ci circonda sulla Terra, sia vivente che non vivente.

Per superare quest’ultimo ostacolo ci conviene andare a vedere quali sono gli elementi presenti nel Universo al giorno d’oggi. Siamo solo noi ad aver avuto una fortuna particolare, o è un miracolo comune a tutto lo Spazio?

La situazione la vediamo nella Fig. 3, che mostra l’abbondanza dei vari elementi nel Universo. Attenzione, però, che la scala delle ordinate è “logaritmica” (ogni tacca vuole dire moltiplicare per 10), il che significa che l’Idrogeno e gli elementi più leggeri la fanno sempre e comunque da padroni. Tuttavia, gli elementi pesanti esistono e come!  Tutto ciò che esiste nel Cosmo ha avuto lo stesso regalo.

Figura 3. Le abbondanze degli elementi presenti nell’Universo. La scala delle ordinate è logaritmica. Il che vuol dire che ogni casella a salire corrisponde a 10 volte quella precedente. 0 significa 1, 1 significa 10, 2 significa 100, 3 significa 1000, ecc. Il diagramma è stato normalizzato in modo che al Silicio (Si) sia assegnato il valore 6 (1000000). La linea verticale verde determina il limite degli elementi formatisi nei tre minuti dopo il Big Bang. La linea blu il limite di quelli che possono formarsi in una stella piccola come il Sole. Quella rossa il limite delle stelle giganti, ossia degli elementi che, formandosi, producono ancora energia. Al di là di questa linea sono necessari processi speciali, di cattura protonica e altro, che possono verificarsi solo durante le esplosioni rapidissime delle supernove.

Oltretutto, dato che sulla Terra certi elementi leggeri sono stati portati via dal vento solare o sono presenti solo sotto forma di gas, gli elementi pesanti allo stato solido e liquido sono, in percentuale, ben più abbondanti. Lo possiamo vedere in Fig. 4, dove è riportata l’abbondanza degli elementi presenti sul nostro pianeta. L’Idrogeno e l’Elio (e non solo) si sono decisamente ridimensionati.

Figura 4. Diagramma simile a quello di Figura 3 (stesse coordinate), ma relativo al nostro pianeta. Come si vede, non differisce molto da quello dell’Universo, a parte che i gas più leggeri sono sotto rappresentati, essendo stati trascinati via dal vento solare.

Torniamo, allora, alla Fig. 3. Ho tracciato delle linee verticali. La prima a sinistra (verde) limita la formazione degli elementi dovuti solo alla fase subito successiva al Big Bang (ricordate? Solo fino al Berillio). La seconda linea (blu) quelli formatisi in stelle più o meno come il Sole. La terza (rossa), quelli formatisi nelle stelle più massicce. E dopo? E’ ora di concludere la nostra “favola” decisamente reale.

Solo e soltanto durante le immani esplosioni delle supernove si possono formare gli elementi più pesanti. La fine catastrofica di una stella regala ai corpi celesti futuri il suo dono più prezioso. I meccanismi sono abbastanza complessi e rapidissimi (processi s e r), ma poco importa. Il nostro corpo e il nostro pianeta conservano gelosamente questi splendidi regali. Niente da dire… siamo proprio figli delle stelle e della loro gloriosa fine.