Capitolo 11: Fatti di antica luce di stelle

Notte 124: Una fiamma blu e rotonda

Il giorno 124 della missione, il compito principale di Noor fu un esperimento con il fuoco. Il fuoco è una delle cose che le persone su una stazione spaziale temono di più, così l’esperimento si svolse dentro una scatola robusta e sigillata, con finestre spesse, ventole speciali e molti livelli di sicurezza. Noor passò la prima ora della mattina su una lista di controllo. Controllò le guarnizioni, le telecamere, l’alimentazione del gas e il computer che avrebbe gestito tutto. Ade fluttuava accanto a lei e leggeva ogni riga ad alta voce. Noor rispondeva a ogni riga con una sola parola, «controllato», come fa un pilota prima del decollo.

Alla fine il computer depose una minuscola goccia di combustibile al centro della scatola e la accese. Sulla Terra una fiamma ha la forma di una lacrima. L’aria calda è più leggera di quella fredda, quindi sale e tira la fiamma verso l’alto, facendola terminare a punta. Nell’assenza di peso l’aria calda non sale, perché non c’è un «alto» verso cui salire. Così la fiamma sullo schermo di Noor era una piccola palla quasi perfetta. Era morbida e blu, e brillava tranquilla nella scatola buia, come un piccolo pianeta fatto di luce.

La palla di fuoco durò solo pochi secondi. Poi il combustibile si esaurì e la luce blu svanì. Le telecamere avevano registrato tutto, e gli scienziati a terra avrebbero studiato le immagini per mesi. Vogliono capire come si comportano le fiamme senza l’aria che sale, perché questo li aiuta a capire anche la combustione sulla Terra, nei motori e nelle fornaci. Noor e Ade ripeterono la prova sei volte, con piccole modifiche ogni volta, e nel pomeriggio lei aveva gli occhi stanchi a forza di guardare lo schermo.

Quella sera, finito il lavoro, Noor lesse un messaggio di Sami. Aveva visto un breve filmato della fiamma rotonda che l’equipaggio aveva condiviso con le scuole. «Bellissimo», scrisse. «Allora il Sole è solo un fuoco gigante come quello? Sta bruciando lassù?» Noor sorrise. Era un’ottima domanda, e molte persone credono che la risposta sia sì. La risposta vera è più strana e più meravigliosa. E porta anche a uno dei fatti più sorprendenti di tutta la scienza: la maggior parte del materiale del corpo di Noor, del corpo di Sami e del tuo corpo è stata prodotta dentro le stelle.

Così la storia di stanotte parla di come funzionano le stelle e di che cosa producono. Segue la notte precedente di questo libro, in cui le increspature dell’universo primordiale crebbero fino a diventare galassie, riunite dalla materia ordinaria e dalla misteriosa materia oscura. Stanotte guardiamo dentro quelle galassie, le stelle stesse, e scopriamo che non sono soltanto lampade. Sono officine.

Le stelle non sono fuochi

Un fuoco, come la palla blu nella scatola di Noor, è una reazione chimica. Il combustibile si unisce all’ossigeno dell’aria, e gli atomi si riorganizzano in nuove molecole. Questo libera calore e luce. Ma in un fuoco gli atomi stessi non cambiano. Un atomo di carbonio nel combustibile è ancora un atomo di carbonio nel fumo. È cambiato solo il modo in cui gli atomi si tengono per mano.

Se il Sole fosse un fuoco gigante di questo tipo, si sarebbe spento molto tempo fa. Sarebbe durato solo qualche migliaio di anni, non miliardi. E c’è un altro problema: un fuoco ha bisogno dell’ossigeno dell’aria intorno a sé, e nello spazio non c’è aria. Quindi il Sole deve brillare in un altro modo. Quel modo si chiama fusione.

La fusione avviene al centro del Sole, nella parte chiamata nucleo solare. Lì preme il peso dell’intero Sole, e la temperatura è di circa 15 milioni di gradi Celsius. Con un calore e una pressione simili, i centri degli atomi di idrogeno, i loro nuclei, si muovono così velocemente che si scontrano e restano uniti. Passo dopo passo, quattro nuclei di idrogeno diventano un nucleo di elio. Il nuovo elio pesa un pochino meno dei quattro nuclei di idrogeno che lo hanno formato. Quel minuscolo pezzo di materia mancante si è trasformato in energia, ed è quell’energia che fa brillare il Sole.

Perché serve un calore così enorme? I nuclei degli atomi di idrogeno hanno tutti lo stesso tipo di carica elettrica, e le cose con la stessa carica si respingono, come due calamite girate dalla parte sbagliata. Nel mondo fresco che ci circonda, i nuclei di idrogeno non si avvicinano mai abbastanza da unirsi. Solo quando si muovono velocissimi, in un calore estremo e sotto il peso di un’intera stella, alcuni si avvicinano abbastanza da restare uniti. Perfino nel nucleo del Sole, un singolo nucleo di idrogeno di solito aspetta moltissimo tempo prima di unirsi a un altro. Il Sole brilla in modo costante perché contiene così tanti nuclei che, ogni secondo, un numero enorme di essi ci riesce.

Ecco la differenza in una frase. In un fuoco gli atomi si scambiano i compagni. Nella fusione i centri degli atomi si uniscono e diventano un elemento diverso. La fusione trasforma l’idrogeno in elio. Non si limita a riorganizzare le cose: produce qualcosa di nuovo. Per questo è così potente. Ogni secondo il Sole trasforma in energia circa quattro milioni di tonnellate della sua materia, e lo fa da circa 4,6 miliardi di anni. Eppure ha usato solo una piccola parte del suo idrogeno, perché il Sole è enorme.

Può aiutare pensare a un panificio che lavora tutta la notte. Nel forno caldo al centro, l’impasto semplice diventa pane. Nel nucleo di una stella, l’elemento più semplice, l’idrogeno, diventa quello successivo, l’elio. La luce che esce dalla stella è come il calore che esce dalla porta del panificio. Noi sentiamo il calore, ma il vero lavoro avviene nel profondo, dove non possiamo vederlo.

Le persone che scoprirono come brillano le stelle

Per molto tempo l’energia del Sole fu un enigma. Nell’Ottocento gli scienziati cercarono di spiegarla con la combustione, o con il Sole che si restringeva lentamente e si scaldava restringendosi. Nessuna di queste idee riusciva a dare al Sole una vita abbastanza lunga. Le rocce della Terra e il lento lavoro degli esseri viventi sembravano richiedere molto più tempo di quanto il Sole potesse durare con qualsiasi processo conosciuto. Chi studiava le rocce e chi studiava il cielo davano risposte diverse, e nessuno riusciva a metterle d’accordo.

La risposta arrivò da un nuovo ramo della scienza che studiava il nucleo, il minuscolo centro di un atomo. Negli anni Venti e Trenta gli scienziati scoprirono che i nuclei potevano unirsi e liberare energia. Nel 1939 uno scienziato di nome Hans Bethe calcolò, passo dopo passo, quali reazioni potessero avvenire nel nucleo di una stella come il Sole. Mostrò che la fusione dell’idrogeno in elio poteva far brillare il Sole per miliardi di anni. L’antico enigma fu risolto con un calcolo accurato, fatto a una scrivania con carta e matita.

Ricorda Cecilia Payne, incontrata in una notte precedente. Nel 1925 scoprì che le stelle sono fatte soprattutto di idrogeno e di elio. La sua scoperta e il calcolo di Bethe si incastrano come le due metà di un piatto. Le stelle sono fatte soprattutto di idrogeno, e l’idrogeno è il loro combustibile. L’elio è in parte quello prodotto nei primi minuti dell’universo e in parte quello che le stelle hanno prodotto da allora.

La domanda successiva era ancora più grande. Se le stelle possono produrre elio, possono produrre anche altri elementi? Nel 1957 quattro scienziati, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler e Fred Hoyle, scrissero un lungo articolo che descriveva come le stelle potessero costruire quasi tutti gli elementi, uno dopo l’altro, nelle diverse fasi della loro vita. Fred Hoyle è la stessa persona che anni prima aveva dato il nome al Big Bang in un programma radiofonico, anche se non condivideva quell’idea. Su questa questione, il suo lavoro aiutò a mostrare da dove venisse la maggior parte degli elementi. Altri scienziati lavoravano in direzioni simili nello stesso periodo, e nei decenni seguenti molte osservazioni confermarono il quadro principale.

Pensa a come è stata costruita questa conoscenza. Nessuno ha mai visitato il centro di una stella. Tutto è stato appreso dalla luce, da esperimenti sui nuclei nei laboratori sulla Terra e dal calcolo. Come tante scoperte di questo libro, fu il lavoro di persone alle loro scrivanie e nei loro laboratori, che controllavano i numeri gli uni degli altri, a volte per molti anni.

Come finisce una grande stella

Una stella come il Sole passa la maggior parte della sua vita a trasformare l’idrogeno in elio. Quando l’idrogeno nel suo nucleo comincia a scarseggiare, la stella cambia. I suoi strati esterni si gonfiano, e diventa una stella grande, più fredda e rossastra, chiamata gigante rossa. Nel suo nucleo cominciano ora a unirsi i nuclei di elio, producendo carbonio e ossigeno. Alla fine una stella come il Sole spinge dolcemente i suoi strati esterni nello spazio, come un guscio luminoso di gas. Ciò che resta è un nucleo piccolo, caldo e densissimo chiamato nana bianca, che si raffredda lentamente per moltissimo tempo.

Le stelle molto più pesanti del Sole vivono più in fretta e finiscono in modo più spettacolare. Il loro grande peso rende i loro nuclei più caldi, così possono andare oltre. Dopo carbonio e ossigeno producono neon, magnesio, silicio e infine ferro. La stella diventa stratificata, un po’ come una cipolla, con gli elementi più pesanti più vicini al centro. Ma il ferro è la fine di questa strada. Unire nuclei di ferro non libera energia: ne consuma. Così, quando il nucleo di una grande stella si riempie di ferro, il suo forno non ha più niente da dare.

La velocità della vita di una stella dipende dal suo peso. Una stella come il Sole ha una vita totale di circa 10 miliardi di anni, quindi ora si trova più o meno a metà della sua vita lavorativa. Le stelle più pesanti consumano il loro combustibile in pochi milioni di anni, un tempo brevissimo per una stella. È un po’ come due lavoratori con mestieri diversi: uno lavora a ritmo costante per tutta una lunga carriera, mentre l’altro lavora a una velocità furiosa e finisce prestissimo. Entrambi lasciano qualcosa, ma il lavoratore veloce lascia i risultati più spettacolari.

Senza l’energia che spinge verso l’esterno, il nucleo collassa sotto il proprio peso in un istante. Gli strati esterni cadono verso l’interno, rimbalzano e vengono scagliati nello spazio in un’enorme esplosione chiamata supernova. Per alcune settimane, una sola supernova può brillare quanto un’intera galassia di stelle. L’esplosione disperde il carbonio, l’ossigeno, il silicio, il ferro e molti altri elementi che la stella ha prodotto durante la sua vita. Produce anche nuovi elementi nel calore violento dell’esplosione stessa. Ciò che resta al centro può essere una stella di neutroni, una palla di materia così densa che un cucchiaino peserebbe quanto una montagna, oppure, nei casi più pesanti, un buco nero.

Alcuni degli elementi più pesanti, come l’oro, hanno bisogno di condizioni molto particolari. Per molti anni gli scienziati hanno pensato che un luogo possibile fosse lo scontro tra due stelle di neutroni. Nel 2017 gli astronomi osservarono proprio uno scontro di questo tipo. Strumenti capaci di percepire minuscole increspature nello spazio stesso captarono il segnale di due stelle di neutroni che si avvicinavano a spirale l’una all’altra, e poi telescopi in tutto il mondo videro la luce dell’evento. In quella luce trovarono segni di elementi pesanti appena prodotti, compresi elementi come l’oro. Oggi gli scienziati pensano che gli elementi pesanti vengano da diversi tipi di eventi, e stanno ancora cercando di capire quanto contribuisca ciascun tipo.

Gli elementi dispersi non restano perduti. Si mescolano nelle nubi di gas e polvere tra le stelle. Più tardi quelle nubi collassano formando nuove stelle e nuovi pianeti. Ogni nuova generazione di stelle nasce con un po’ più di elementi pesanti della precedente. Una galassia è come una grande cucina lenta in cui si usano sempre le stesse pentole, e ogni pasto lascia un po’ più di sapore per il successivo.

Gli atomi del tuo corpo

Ora torniamo a noi stessi. Il tuo corpo è fatto di molti elementi. In peso, la parte più grande è l’ossigeno, che si trova soprattutto nell’acqua dentro di te. C’è carbonio in ogni cellula vivente. C’è azoto nelle proteine dei tuoi muscoli. C’è calcio nelle tue ossa e nei tuoi denti. C’è ferro nel tuo sangue, che porta l’ossigeno dai polmoni a ogni parte di te.

Quasi nessuno di questi elementi esisteva nei primi minuti dell’universo. Come abbiamo visto in una notte precedente, quei minuti produssero soprattutto idrogeno ed elio e una piccolissima quantità di litio. Il carbonio, l’azoto e l’ossigeno del tuo corpo furono prodotti più tardi, dentro le stelle. Anche il calcio e il ferro vennero dalle stelle, in gran parte da stelle esplose molto prima che nascesse il Sole. In un senso molto reale, il tuo corpo è costruito con gli avanzi di stelle che vissero e morirono prima che esistesse il nostro sistema solare.

C’è un’eccezione importante. L’idrogeno del tuo corpo, dell’acqua che bevi e del cibo che mangi non è stato prodotto nelle stelle. L’idrogeno è l’elemento più semplice, e quasi tutto viene dai primi minuti dell’universo. Per numero di atomi, l’idrogeno è l’elemento più comune del tuo corpo. Così porti dentro di te entrambi i tipi di storia: l’universo primordiale, nel tuo idrogeno, e il lungo lavoro di molte stelle, in quasi tutto il resto.

Questo vale anche per tutto ciò che circonda Noor sulla stazione. L’alluminio delle pareti, l’ossigeno nei serbatoi d’aria, il silicio nei chip dei computer e il carbonio nel suo cibo vengono tutti dalle stelle. Il metallo della scatola che conteneva la fiamma blu fu prodotto, atomo dopo atomo, in officine stellari miliardi di anni fa. Perfino la luce di quella fiamma blu veniva da atomi che un tempo si trovavano dentro una stella.

Non è facile sentirlo con tutto il cuore. Una tazza di tè non sembra fatta dei resti di stelle antiche. Ma la prossima volta che tieni in mano qualcosa di pesante, un attrezzo al lavoro, una pentola in cucina, un sasso raccolto su un sentiero, potresti ricordare che i suoi atomi sono più antichi della Terra. Hanno viaggiato nello spazio, attraverso nubi e nuove stelle, prima di fermarsi nella tua mano.

Un messaggio per Sami

Alla fine della giornata, Noor entrò fluttuando nella sua cabina e chiuse la cerniera del sacco a pelo fino al petto. Pensò alla fiamma blu e rotonda e al Sole, che quel giorno era sorto e tramontato sedici volte per la stazione. Aprì il piccolo tablet e scrisse a Sami.

«No, il Sole non è un fuoco», scrisse. «È una specie di forno in cui l’idrogeno si trasforma in elio. Le stelle grandi producono anche altre cose: carbonio, ossigeno, ferro. Quando muoiono, gettano tutto nello spazio, e da lì nascono nuove stelle e nuovi pianeti. Il ferro nel tuo sangue è stato prodotto in una stella. Quindi stanotte, quando sei stanco, ricordati che sei fatto di un materiale antichissimo e molto resistente.»

Verso le tre del mattino, su una strada silenziosa molto più in basso, Sami si fermò per la pausa. Lesse il messaggio due volte, mangiò un panino e guardò attraverso il parabrezza alcune stelle luminose tra le nuvole. Rispose: «Materiale molto resistente. Lo dirò alla mia schiena quando solleverò le ultime casse.»

Forse anche tu stai finendo una lunga giornata. Le mani possono essere stanche, la schiena può farti male, e il domani forse ti sta già aspettando. Ma il materiale di cui sei fatto è passato attraverso il cuore delle stelle. Stanotte ha solo bisogno di un buon riposo.

Equivoci comuni

Molti pensano che ogni atomo del loro corpo sia stato prodotto dentro una stella. È un’idea bellissima, ed è in gran parte vera, ma non del tutto. La maggior parte degli elementi del tuo corpo, come carbonio, ossigeno, calcio e ferro, è stata davvero prodotta nelle stelle. Ma l’idrogeno, che fa parte di ogni molecola d’acqua e di molte molecole delle tue cellule, è stato prodotto nei primi minuti dell’universo. Quindi è più esatto dire che sei fatto insieme di materiale dell’inizio dell’universo e di materiale delle stelle.

Molti pensano anche che il Sole e le stelle brucino come un fuoco. È naturale, perché sono caldi e luminosi, e nel linguaggio di tutti i giorni si usa spesso la parola «bruciare» per loro. Ma un fuoco è una reazione chimica che ha bisogno di ossigeno e cambia soltanto il modo in cui gli atomi sono uniti. Il Sole brilla grazie alla fusione: i centri degli atomi di idrogeno si uniscono e diventano elio, e un po’ di materia si trasforma in moltissima energia. Per questo il Sole può brillare per miliardi di anni e non ha bisogno di aria.

Infine, alcuni pensano che l’oro e gli altri elementi pesanti siano stati prodotti nel Big Bang, insieme a tutto il resto. In realtà i primi minuti dell’universo produssero solo gli elementi più leggeri: idrogeno, elio e un po’ di litio. L’universo si raffreddò troppo in fretta per costruire qualcosa di più pesante. L’oro e gli altri elementi pesanti furono prodotti molto più tardi, in eventi estremi come lo scontro tra stelle di neutroni e probabilmente in alcune stelle che esplodono. Così l’oro di un anello è molto più giovane dell’idrogeno in un bicchiere d’acqua. Nella prossima notte seguiremo alcuni di quegli elementi dispersi mentre si raccolgono in una nuova stella e nei suoi pianeti: il Sole e la Terra.