È leggero e onnipresente nella Via Lattea, ma la sua origine è stata per molto tempo avvolta dal mistero. Come si forma il litio? Uno studio dell’Istituto nazionale di astrofisica potrebbe aver svelato questo segreto grazie a un’operazione quasi archeologica che ha come protagoniste le novae classiche.
Gli elementi chimici che compongono l’universo non condividono un’unica genesi. Alcuni sono stati forgiati nelle convulse fasi iniziali del big bang, quando l’universo era un plasma primordiale estremamente caldo e denso; altri sono comparsi molto più tardi, sintetizzati nel cuore delle stelle o durante eventi catastrofici come esplosioni di supernovae e collisioni tra resti stellari. Esistono poi elementi nati da processi meno convenzionali, come la spallazione: l’impatto dei raggi cosmici ad alta energia con nuclei atomici preesistenti, che li frammentano in specie chimiche più leggere e rare.
Alla pagina precedente: una suggestiva vista grandangolare del Very Large Telescope dell’Eso, sul Cerro Paranal nel deserto di Atacama. Crediti: M. Lefranc/H.H.Heyer/Eso
IL LITIO MANCANTE
In questo mosaico cosmico, il litio occupa una posizione singolare e rappresenta, da decenni, uno degli enigmi più complessi dell’astrofisica. Pur essendo il terzo elemento più leggero della tavola periodica e risultando onnipresente, dalla Terra ai confini della Via Lattea, la sua origine è rimasta a lungo avvolta nel mistero. Per oltre mezzo secolo, la sintesi del litio è stata attribuita a tre soli canali principali: alla nucleosintesi primordiale (avvenuta tra 10 secondi e 20 minuti dopo il big bang), alla frammentazione di nuclei pesanti operata dai raggi cosmici e ad alcuni processi nucleari altamente specifici in determinate fasi dell’evoluzione stellare. Tuttavia, il bilancio cosmico non tornava: sommando tutti questi contributi, si riusciva a giustificare meno del 30% del litio attualmente osservato nella Galassia. L’origine del restante 70% rappresentava un vero e proprio “buco nero” nella nostra comprensione dell’evoluzione chimica galattica. Oggi, grazie a una serie di studi d’avanguardia condotti anche da ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), il tassello mancante sembra finalmente essere andato al suo posto: la fonte principale di questo elemento è stata identificata in una specifica classe di fenomeni stellari: le novae classiche.
L’INVENTARIO DEL LITIO
Stimare l’inventario totale di questo elemento nella Via Lattea è una sfida complessa. Il litio è infatti un nucleo estremamente fragile, che viene facilmente distrutto nelle fornaci stellari non appena la temperatura raggiunge pochi milioni di gradi. Un’informazione cruciale per risolvere l’enigma ci arriva però dai meteoriti, considerati veri e propri “fossili” chimici, che preservano la composizione del materiale primordiale da cui si è formato il Sistema solare. Utilizzando l’abbondanza misurata nei meteoriti come parametro di riferimento per la densità di litio nel mezzo interstellare, possiamo stimare che la Via Lattea contenga complessivamente circa mille masse solari di litio: una quantità enorme, che i modelli classici non erano assolutamente in grado di spiegare.
Il contributo della nucleosintesi primordiale è ormai ben delineato: nei primi concitati minuti di vita dell’universo si formarono deuterio, elio e una quantità infinitesimale di berillio-7 che, decadendo, ha poi generato il litio-7. Tuttavia, questo processo spiega solo una modesta frazione del totale, oscillante tra il 10% e il 20%.
Come già segnalato, un altro meccanismo noto è la spallazione dei raggi cosmici: pur essendo l’origine principale dell’isotopo più leggero (litio-6), il suo apporto alla variante più abbondante, il litio-7, rimane marginale, contribuendo per circa un ulteriore 10% al bilancio galattico.
Un’ultima sorgente identificata in passato è rappresentata dalle stelle giganti rosse che, in specifiche fasi evolutive, sintetizzano berillio-7 e riescono a trasportarlo verso i propri strati esterni prima che venga distrutto, rilasciandolo poi nello spazio tramite i venti stellari. Nonostante l’importanza teorica, anche questo canale contribuisce solo per pochi punti percentuali. Facendo i conti, la somma di tutti i processi conosciuti copre a malapena il 30% del litio osservato. Rimane dunque un enorme vuoto di conoscenza: dove e come viene prodotto il restante 70% di questo elemento?
L’illustrazione mostra che cosa si verifica in sistemi stellari binari in cui una nana bianca sottrae continuamente materiale stellare a una stella compagna. Crediti: Gemini Observatory/NoirLab/Nsf/Aura/M. Garlick/M. Zamani
LA FIRMA DEL LITIO
La svolta risolutiva è giunta nel 2015 spostando i riflettori sulle novae classiche. Questi spettacolari eventi cataclismici avvengono in sistemi binari dove una nana bianca, il residuo denso e compatto di una stella simile al Sole nelle ultime fasi della sua vita, “cannibalizza” la propria compagna (solitamente una stella di piccola massa di tipo spettrale K o M, o in rari casi una gigante rossa nelle cosiddette novae simbiotiche) attraverso un meccanismo di accrescimento di materia che proviene dalla compagna stessa tramite il punto Lagrangiano interno alle due stelle. Quando l’idrogeno accumulato sulla superficie della nana bianca raggiunge una pressione e una temperatura critiche, si innesca una violenta esplosione termonucleare. Il sistema brilla improvvisamente di una luce accecante e disperde nello spazio enormi quantità di gas arricchito di nuovi elementi pesanti. Con una frequenza media di circa 30 eventi all’anno nella Via Lattea, le novae rappresentano un motore fondamentale dell’evoluzione chimica galattica.
Grazie a sofisticate osservazioni spettroscopiche ad alta risoluzione, condotte con lo strumento Uves presso il Very Large Telescope (Vlt), i ricercatori hanno potuto rilevare direttamente la firma del litio e del berillio-7 nei resti di queste esplosioni. I dati sono sbalorditivi: in un singolo evento è stata misurata una produzione di litio superiore di ben quattro ordini di grandezza rispetto al valore riscontrato nei meteoriti. Inserendo questi dati nei modelli di evoluzione chimica, che tengono conto del numero di esplosioni avvenute nell’intera storia della Galassia, il mistero si è dissolto: le novae sarebbero in grado di spiegare interamente quel 70% di litio mancante.
NOVA V1369 CENTAURI
Nonostante l’evidenza dei dati, restava un’ultima discrepanza: le abbondanze misurate spettroscopicamente apparivano superiori a quelle predette dai modelli teorici dell’epoca, alimentando lo scetticismo di parte della comunità scientifica. La prova definitiva, capace di dissipare ogni dubbio, è giunta dall’osservazione diretta della radiazione gamma emessa dal decadimento del berillio-7, un isotopo con un’emivita di circa 53 giorni. Questo segnale rappresenta una firma indipendente e inequivocabile: osservare il berillio-7 mentre decade significa assistere “in diretta” alla nascita del litio-7.
L’occasione d’oro si è presentata con la nova V1369 Centauri, esplosa nel dicembre 2013. Grazie ai dati raccolti dal satellite Integral dell’Agenzia spaziale europea (Esa), è stata rilevata una debole ma significativa emissione gamma a 478 keV, esattamente l’energia prodotta dal decadimento del berillio-7. L’analisi, corroborata da una stima della distanza estremamente precisa ottenuta con la missione spaziale Gaia, ha dimostrato che la quantità di berillio prodotta è perfettamente coerente con le abbondanze di litio misurate nelle frequenze dell’ottico. Questa scoperta costituisce la conferma definitiva: le novae classiche sono le principali “fabbriche di litio” dell’universo. Dopo oltre mezzo secolo di incertezze, l’origine dell’elemento numero tre della tavola periodica è finalmente svelata. Sebbene restino da definire i dettagli più fini della fisica nucleare durante le fasi esplosive, il grande enigma del litio mancante può dirsi risolto.
La differenza in luminosità tra la quiescenza e la fase brillante di una nova classica in due immagini della recente esplosione della Nova Velorum 2025. Crediti: E. Guido/M. Rocchetto/Spaceflux
UNA RICETTA NUCLEARE
Il processo che trasforma una nova in una fabbrica di litio segue una precisa catena di reazioni nucleari, nota come meccanismo di trasporto del berillio. Inizialmente, durante l’esplosione termonucleare sulla superficie della nana bianca, la fusione tra nuclei di elio-3 ed elio-4 genera il berillio-7. Tuttavia, il litio è un elemento estremamente termolabile: se si formasse direttamente nelle regioni più profonde e calde della nova, verrebbe immediatamente distrutto dagli urti con i protoni. Il berillio-7 funge quindi da “veicolo” sicuro: viene sintetizzato e grazie ai moti convettivi rapidamente trasportato verso gli strati esterni e più freddi dell’inviluppo in espansione. Una volta lontano dalle temperature proibitive del nucleo esplosivo, il berillio-7 (che ha un’emivita di circa 53 giorni) decade in litio-7, tramite la cattura elettronica: un protone del nucleo cattura un elettrone orbitale e si trasforma in un neutrone, emettendo un neutrino v. Circa nel 10% dei casi, il nucleo di litio-7 non si forma nel suo stato fondamentale, ma in uno stato eccitato. Per raggiungere la stabilità, esso libera l’energia in eccesso emettendo un fotone gamma ad altissima energia, precisamente a 478 keV. È proprio l’intercettazione di questi fotoni da parte di osservatori spaziali come Integral a fornire la prova regina: la riga gamma a 478 keV è la “firma spettrale” che conferma che il litio si sta effettivamente formando in quel momento tra i detriti stellari.