Le reazioni nucleari nelle stelle

Le stelle emettono una grande quantità di luce e calore grazie alle complesse reazioni nucleari che avvengono al loro interno. Da queste reazioni deriva anche la nascita di tutti gli elementi chimici che compongono l'universo, inclusi quelli che formano la Terra e noi stessi. Vediamo di capire più da vicino questi incredibili fenomeni. La reazione nucleare che si verifica in una stella è la fusione nucleare. Nella fusione nucleare due nuclei di atomi leggeri si scontrano con tale forza, a causa delle immense pressioni e temperature, da fondersi tra loro formando un nucleo più pesante. Questo processo rilascia quantità enormi di energia, che è ciò che rende le stelle così brillanti.

Esistono due tipi di fusioni nucleari nelle stelle:

• Catena protone-protone (p-p)
  Questo tipo di reazione è predominante nelle stelle di piccola e media massa, come il nostro Sole. In queste stelle due nuclei degli atomi di idrogeno si fondono tra loro in un singolo atomo di elio, rilasciando energia sotto forma di luce e calore. L'energia liberata nella fusione nucleare deriva dalla differenza delle masse degli atomi prima e dopo la fusione che si trasforma in energia secondo la nota legge di Einstein $$ E=mc^2 $$ Dove E è l'energia, m è la massa mentre c è la velocità della luce.
• Ciclo CNO (Carbonio-Azoto-Ossigeno)
  Si verifica nelle stelle più massicce, quelle con più di 1.4 masse solari. Questo ciclo utilizza atomi di carbonio, azoto e ossigeno come catalizzatori per la fusione dell'idrogeno in elio. È anche conosciuto come ciclo di Bethe. Le stelle più massicce raggiungono una densità e temperatore nettamente superiori, fino a 20 milioni di gradi. Questo permette di ottenere delle reazioni nucleari molto più energetiche che rilasciano anche raggi gamma.

  Nel ciclo CNO il processo di nucleosintesi è più complesso ed è suddiviso in diverse fasi:
  
  1. Inizio del ciclo con Carbonio-12 (\(^{12}\)C). Il ciclo inizia quando un protone (\(1\text{H}\)), ossia un nucleo di idrogeno, interagisce con un nucleo di carbonio-12 (\(^{12}\)C), che ha 6 protoni e 6 neutroni. Questo processo forma un nucleo di azoto-13 (\(^{13}\)N).
  
  2. Decadimento di Azoto-13 (\(^{13}\)N) a Carbonio-13 (\(^{13}\)C). L'azoto-13 è instabile e si trasforma in carbonio-13 (\(^{13}\)C) rilasciando un positrone (la antiparticella dell'elettrone) e un neutrino. Questo processo è un esempio di decadimento beta positivo (\(\beta^+\)).
  
  3. Da Carbonio-13 a Azoto-14 (\(^{14}\)N). Il nucleo di carbonio-13, ora stabile, cattura un altro protone formando un nucleo di azoto-14, isotopo più stabile dell'azoto.
  
  4. Formazione di Ossigeno-15 (\(^{15}\)O) e suo decadimento a Azoto-15 (\(^{15}\)N). Un ulteriore cattura di protone trasforma l'azoto-14 in ossigeno-15 (\(^{15}\)O), che è instabile. L'ossigeno-15 poi decade a azoto-15 (\(^{15}\)N) attraverso il rilascio di un positrone e un neutrino, un altro esempio di decadimento \(\beta^+\).
  
  5. Completo del ciclo con la formazione di Elio-4 (\(^{4}\)He). Infine, il nucleo di azoto-15 cattura un protone e si divide in un nucleo stabile di carbonio-12 e un nucleo di elio-4 (\(^{4}\)He), noto anche come particella alfa. Questo passaggio completa il ciclo, permettendo di iniziare di nuovo con un altro protone e un nucleo di carbonio-12.
  
  Il ciclo CNO è un processo di conversione di massa in energia. La massa perduta durante le reazioni nucleari viene emessa sotto forma di energia tramite la formula di Einstein E=mc² che contribuisce alla luminosità e al calore delle stelle.

Man mano che una stella esaurisce il suo idrogeno, inizia a fondere elementi più pesanti in un processo che può portare alla creazione di ferro. Questa evoluzione dipende molto dalla massa della stella. Quando le stelle di grande massa esauriscono il loro combustibile nucleare, possono esplodere in fenomeni catastrofici noti come supernove. Queste esplosioni sono tanto potenti da permettere la fusione di elementi più pesanti del ferro, arricchendo così l'universo di tutti gli elementi presenti nella tavola periodica.

Ogni singolo elemento presente nella nostra vita quotidiana, dalla calce nei nostri edifici al ferro nel nostro sangue, è stato forgiato all'interno delle stelle o nelle loro morti violente. Basti pensare che gli atomi che formano la nostra mano sinistra e quelli della mano destra sono nati miliardi di anni fa da stelle diverse e molto lontane tra loro. È una prospettiva affascinante, che ci ricorda la nostra connessione intrinseca con l'universo stesso.

In sintesi, le stelle non sono solo dei punti luminosi nel cielo notturno, sono anche i laboratori naturali dove avvengono le reazioni nucleari che hanno reso possibile l'esistenza della vita come la conosciamo. La loro esistenza e evoluzione sono fondamentali per comprendere non solo la nostra origine cosmica ma anche la vasta complessità dell'universo.