Le reazioni nucleari che fanno brillare le stelle

Le stelle brillano perché i nuclei leggeri si fondono in nuclei più pesanti. La fusione nelle stelle ha prodotto la maggior parte degli elementi dal carbonio al ferro; quasi tutti quelli più pesanti del ferro sono nati invece da catture di neutroni, lente soprattutto nelle giganti rosse e rapide nelle esplosioni stellari e nelle fusioni di stelle di neutroni. Per costruire il modello di una stella, o per interpretare la composizione di una stella antica, dobbiamo sapere con quale rapidità avviene ciascuna di queste reazioni alla temperatura che c'è al suo interno: il suo tasso di reazione.

Questo tasso è difficile da misurare. I nuclei si respingono per via della loro carica elettrica, e alle temperature stellari hanno troppa poca energia per vincere la repulsione. Si fondono solo per effetto tunnel quantistico, e solo in una stretta banda di energie, la finestra di Gamow, dove i nuclei sono abbastanza veloci e ancora abbastanza numerosi. Nel Sole la finestra per ¹⁴N + p si trova intorno a 27 keV (un keV, un chiloelettronvolt, è l'energia che un elettrone acquista attraversando una differenza di potenziale di 1000 volt). La probabilità che una reazione avvenga si misura con la sua sezione d'urto, un'area efficace del bersaglio. A 70 keV, l'energia più bassa a cui questa reazione è stata misurata, la sezione d'urto è di 0,24 picobarn, cioè 2,4 × 10⁻³⁷ cm².

Anche un fascio intenso produce allora solo una manciata di reazioni, e sulla superficie della Terra i raggi cosmici lasciano in qualunque rivelatore di raggi γ molti più conteggi di queste. All'inizio degli anni Novanta la collaborazione LUNA ha quindi portato il suo acceleratore nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dove 1,4 km di roccia riducono i muoni cosmici di circa un milione di volte. Da allora diverse reazioni delle catene protone-protone e dei cicli CNO sono state misurate in questo laboratorio sotterraneo alle energie a cui avvengono nel Sole, o molto vicino.

Ogni reazione trasforma un nucleo in un altro, e in una stella le reazioni si collegano in catene e cicli: una rete di reazioni. Questo atlante raccoglie le reazioni più importanti. Per ciascuna spiega che cosa fa la reazione, perché conta, come è stata misurata e che cosa è ancora incerto. La mappa le colloca sulla carta dei nuclidi, con i protoni contati verso l'alto e i neutroni in orizzontale; scegli un processo per seguirne il percorso.