La polvere più antica del mondo viene dallo spazio e racconta il passato dell’universo

La recente scoperta di polvere cosmica risalente a prima del sistema solare può fornire indizi sulla storia dell’universo e la nascita delle stelle

La polvere cosmica emessa da stelle negli ultimi stadi di vita, come quelle della Nebulosa Uovo nella costellazione del cigno, arriva sulla terra grazie ai meteoriti. (fonte: sciencenews.org)

L’universo non è esattamente vuoto, nemmeno nello spazio interstellare. Anzi, proprio in queste zone si trovano grandi nubi di gas contenenti particelle polverose che talvolta possono essere catturate da corpi più grandi come meteoriti che poi precipitano sul nostro pianeta. Studiare questi granelli non è semplice, ma fornisce informazioni preziose sulla storia e sull’evoluzione dell’universo.

Capsule del tempo in SiC: la polvere di 7 miliardi di anni fa che viene dallo spazio

La polvere cosmica (interstellar dust) forma appena l’1% della massa del mezzo interstellare (ISM: interstellar medium), ovvero gli agglomerati di materia in gran parte gassosa che si trovano tra le stelle di una galassia. Essa contribuisce alla nascita di nuove stelle, ma anche all’evoluzione termica e chimica della galassia stessa. Si tratta di granelli di dimensioni molto ridotte (nell’ordine dei nanometri) la cui origine è associata agli ultimi stadi di vita delle stelle, ma che contengono la maggior parte degli elementi più pesanti dell’elio, compresi quelli necessari alla formazione dei pianeti e la nascita della vita. Un articolo del 13 gennaio 2020 su Proceedings of the National Academy of Sciences riporta la scoperta di alcuni granelli veramente antichissimi. La polvere è stata estratta dal meteorite Murchison CM2, caduto in Australia nel 1969 e molto studiato negli anni per via della presenza di composti organici complessi che hanno alimentato teorie sulla presenza di condizioni favorevoli alla nascita della vita nel resto dell’universo. In particolare, i ricercatori si sono concentrati su 40 granelli di SiC, carburo di silicio, di grandi dimensioni, studiando la concentrazione di neon-21. Il neon-21 è un isotopo stabile dell’atomo di neon, ovvero una sua forma con un differente numero di neutroni. Com’è noto, gli atomi sono composti da un nucleo di protoni e neutroni attorno cui stanno elettroni in egual numero rispetto ai protoni: per isotopi si intendono le varie forme dell’atomo distinte da una diversa quantità di neutroni. In particolare, il neon-21 si forma nei granelli in seguito all’esposizione ai raggi cosmici, ovvero particelle ad altissima energia. Maggiore è la concentrazione dell’isotopo nel granello, più a lungo esso deve aver viaggiato nello spazio aperto prima di essere catturato e protetto dal meteorite. Alcuni granelli risalirebbero a 7 miliardi di anni fa, ovvero circa 2/3 miliardi prima della nascita del sistema solare: in pratica è la polvere più antica mai studiata in un laboratorio. I ricercatori sostengono che almeno 12 tra i grani studiati venisse dal mezzo interstellare e che in esso avessero dimensioni circa 30 volte superiori. Molti di essi, però, hanno la “giovane” età di 300 milioni di anni: nell’ipotesi che essi vengano da stelle morenti, suggerirebbero un piccolo boom di nascita di stelle circa due miliardi di anni prima di quel momento. Si aprono così nuove frontiere nello studio dell’evoluzione dell’universo.

Vista al microscopio di un granello di polvere con indicata in scala la misura di un nanometro (fonte: herschel.cf.ac.uk)

Polvere interstellare: un po’ di teoria

Nello spazio interstellare si trovano grandi nubi di gas, nelle quali fluttuano le polveri interstellari: nella Via Lattea, ad esempio, si trovano lungo i bordi interni dei bracci della spirale. A dire il vero, quando parliamo di polveri nello spazio, ci riferiamo a corpuscoli solidi estremamente piccoli, paragonabili a quelle del fumo di una sigaretta. Si distinguono tre principali categorie di polveri. Le prime sono nell’ordine di 0,2-0,4 micrometri (10-6 metri) e costituiscono la maggior parte della massa in questione. In genere sono responsabili di una attenuazione della luce visibile che arriva a noi dalle stelle che sono dall’altro lato della nube. Più piccole, ci sono particelle con diametro di circa 0,05 micrometri, che sono anche più semplici a livello di composizione chimica. Infine, nella fascia degli 0,002 micrometri ci sono particelle che costituiscono meno del 10% del totale e sono associate all’assorbimento di raggi ultravioletti. Generalmente si aggregano intorno alle giganti rosse, stelle di dimensioni medio-piccole nelle ultime fasi di vita, per poi addensarsi nelle nubi dove ghiacciano. Ad oggi sono state identificate diverse varietà di polveri nella fascia detta presolare, ovvero generatesi dal raffreddamento dei gas emessi dalle stelle prima che il nostro sole si fosse formato. Ogni grano ha una composizione isotopica specifica che lo associa alla sua stella progenitrice. Queste composizioni sono così specifiche da potersi ricondurre a fenomeni astrofisici di tipo nucleare ben precisi, lasciando pochi dubbi circa la loro origine presolare. Ad oggi abbiamo identificato polveri costituite da diamanti (detti nano-diamanti per le loro dimensioni), grafite, carburo di silicio, carburo di titanio e minerali come il corindone (Al2O3), lo spinello (MgAl2O4) e la hibonite ((Ca, Ce)(Al, Ti, Mg)12O4).

Il satellite IRAS (InfraRed Astronomical Satellite), qui rappresentato artisticamente, era un telescopio spaziale dedicato a scrutare il cielo attraverso radiazioni infrarosse. Ha cessato di essere operativo nel 1983 e tra le scoperte che ha reso possibili annoveriamo quella di un anello di polvere cosmica a circa 15 miliardi di chilometri dal sistema solare.

Che cosa ci racconta la polvere cosmica?

Le polveri cosmiche interessano sia l’inizio che la fine del ciclo di vita di una stella. Alcune teorie associano il loro aggregarsi alla nascita delle stelle, in seguito al raggiungimento di condizioni di temperatura e densità tali da innescare la fusione nucleare. Tale reazione, da non confondere con la fissione nucleare usata nelle nostre centrali energetiche, consiste nell’unione di due o più atomi che dà origine a nuovi nuclei di specie atomiche diverse. Nelle stelle, la reazione di base è la fusione di due nuclei di idrogeno (spesso nell’isotopo noto come deuterio) per formarne uno di elio. Nelle stelle più massicce e calde possono anche essere fusi nuclei più massicci come quelli di carbonio, ossigeno e neon. Lo studio delle polveri fornisce indicazioni circa processi di nucleosintesi (creazione di atomi da pre-esistenti nucleoni, ovvero protoni e neutroni) e di evoluzione stellare. Per fare un esempio, i granelli contraddistinti da isotopi relativi a “processi r” (Rapid neutron capture) o “processi alfa” sono importanti per la comprensione dei modelli di esplosione delle supernove. Per chi fosse particolarmente interessato, facciamo l’esempio del calcio-44 (Ca-44). Esso è ciò che resta del radionuclide Ti-44 (titanio-44), che si forma nelle supernove di tipo II dopo che Si-28 (silicio-28) cattura rapidamente 8 particelle alfa e inizia il processo di fusione. Allo stesso tempo, i granelli forniscono anche informazioni sulle condizioni chimico-fisiche dell’ambiente in cui si sono formati. Le particelle, infatti, iniziano ad addensarsi nelle atmosfere “fredde” delle giganti rosse, per poi essere spinte nel mezzo interstellare tramite la pressione di radiazione (un fenomeno particolare per cui l’incidere di un’onda elettromagnetica su un corpo esercita una pressione, quindi una forza, su di esso). Gli studiosi ne ricavano così nozioni sui processi e le condizioni in corso nell’universo prima della nascita del sole, giungendo a una descrizione sempre più precisa e accurata di ciò che accade ed anzi è già accaduto nell’universo attorno a noi.

Il residuo in espansione di SN 1987A, una supernova di tipo II, o supernova a collasso nucleare, nella Grande Nube di Magellano (fonte: hubblesite.org)

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