Sei protoni, sei neutroni e sei elettroni: è l’atomo di carbonio, l’elemento fondamentale della vita. Grazie alla sua struttura elettronica, il carbonio ha la capacità di formare un grande numero di legami differenti, il che lo rende perfetto per costruire molecole complesse, alla base della chimica organica. Non a caso ci sono milioni di composti che contengono il carbonio. E infatti assieme all’idrogeno, all’ossigeno e all’azoto, esso compone, tra le altre cose, il 96% del corpo umano.
Ma da dove provengono gli elementi di cui siamo costituiti? Ebbene, per quanto l’esplosione di una stella avvenuta da qualche parte nell’universo miliardi di anni fa possa sembrare quanto di più distante da noi si possa immaginare, la realtà è che noi non siamo fatti d’altro che del risultato di quelle esplosioni.
Gli elementi della tavola periodica si distinguono tra loro per il numero di particelle di cui sono composti. L’elemento più leggero in assoluto è l’idrogeno, il cui nucleo è formato unicamente da un protone. L’elio viene subito dopo, con due protoni. Poi litio (tre protoni e quattro neutroni), berillio (quattro protoni e cinque neutroni) e avanti così attraverso il carbonio (sei protoni e sei neutroni), l’ossigeno (otto protoni e otto neutroni), fino a elementi molto pesanti come l’uranio (novantadue protoni e centotrentaquattro neutroni).
È possibile quindi pensare a un elemento chimico come alla somma di altri elementi chimici più leggeri. Questo processo di somma, chiamato fusione nucleare, è esattamente ciò che accade all’interno delle stelle e che ha permesso la formazione degli atomi di cui siamo costituiti.
Se la temperatura dell’universo primordiale avesse permesso la fusione di elementi pesanti, la vita come la conosciamo non sarebbe esistita.
Prima di cominciare a parlare di ciò che avviene nelle stelle, occorre però fare un passo indietro di quasi quattordici miliardi di anni, a pochi minuti dopo il Big Bang. La temperatura dell’universo in quel momento è scesa a circa un miliardo di gradi. I protoni e i neutroni iniziano a unirsi tra loro, formando così i primi nuclei atomici primordiali. Vengono sintetizzati atomi semplici, leggeri, come quelli del deuterio (una forma particolare di idrogeno composta da un protone e un neutrone), dell’elio e di scarsissime quantità di litio e berillio. Tutto il processo dura soli venti minuti, non di più. A fermarlo è l’ulteriore abbassamento della temperatura, dovuto all’espansione dell’universo. Questo dettaglio per noi è fondamentale. Se per qualche ragione il processo fosse proseguito più a lungo, si sarebbero formati via via nuclei sempre più pesanti, dati dall’unione di quelli più leggeri. Superato un certo tempo critico si sarebbero esauriti gli elementi leggeri, il che avrebbe significato che la vita, basata su di essi, non sarebbe potuta esistere.
Il prossimo passo nella nostra cronistoria è guidato dalla gravità, circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, alla fine di quella che viene chiamata “l’era oscura” dell’universo. La materia ormai formata è distribuita all’interno dell’universo, e le zone a maggiore concentrazione iniziano ad attrarre la materia circostante sotto l’attrazione della forza gravitazionale. Via via aumentano così di massa, di densità, iniziano a formare agglomerati di dimensioni sempre maggiori: nubi gassose, poi stelle, infine galassie.
Le prime stelle, quindi, sono formate unicamente dagli atomi più leggeri. La formazione di atomi più pesanti, a partire dal carbonio e dall’ossigeno, riprende proprio in esse. L’idea del meccanismo è la seguente: affinché due nuclei atomici possano fondersi in un nucleo più pesante è necessario fornire un’energia tale da superare la repulsione elettromagnetica dei nuclei. Nelle stelle, la gravità è talmente forte da indurre una contrazione della materia e un innalzamento enorme della temperatura, innescando così il processo di fusione nucleare [1].
La vita di una stella è un equilibrio perfetto tra la spinta a contrarsi dovuta alla gravità e quella a espandersi dovuta alla pressione delle fusioni nucleari. Se la stella si contrae, la temperatura aumenta, incrementando così la pressione nucleare e ristabilendo l’equilibrio.
Terminati gli elementi più leggeri, che fungono da “combustibile” alla stella, sotto determinate condizioni la sua contrazione può essere tale da aumentare ulteriormente la temperatura e innestare la fusione di elementi ancora più pesanti.
In ogni caso, la sola fusione nucleare all’interno delle stelle non è in grado di sintetizzare tutti gli elementi presenti nell’universo. Per sintetizzare elementi più pesanti del ferro sono necessari fenomeni ancora più stupefacenti, come le “supernove”: esplosioni di stelle non più in grado di sostenere il loro equilibrio interno.
Ciò che è interessante notare è che il processo di fusione dei nuclei, dai più leggeri verso i più pesanti, è costantemente operativo all’interno di ogni stella dell’universo. Si pensi ad esempio che il Sole consuma, ogni secondo, circa seicento milioni di tonnellate di idrogeno nelle sue reazioni nucleari. Se consideriamo che ci sono cento miliardi di stelle solo nella nostra Via Lattea e che sono stimate circa 125 miliardi di galassie nell’universo, possiamo immaginare la quantità di elementi leggeri che ogni secondo vengono convertiti in elementi più pesanti. È impressionante pensare a questi numeri, e al numero di processi che hanno portato alla distribuzione chimica attuale dell’universo.
Nell’infinita complessità di eventi cosmici, noi siamo il risultato di una serie fortuita di casi. Come scritto precedentemente, se la temperatura dell’universo primordiale avesse permesso la fusione di elementi pesanti, la vita come la conosciamo non sarebbe esistita. Noi oggi viviamo in una parentesi cosmica, in cui gli elementi indispensabili alla vita sono ancora presenti, ma vengono ogni istante utilizzati per sintetizzare nuovi elementi più pesanti. Un giorno gli elementi leggeri potrebbero essere consumati del tutto, lasciando un universo unicamente composto da elementi pesanti. Non dobbiamo disperare, però: gli elementi leggeri sono ancora largamente maggioritari nell’universo. Da soli, i due atomi più leggeri, idrogeno e elio, compongono il 98% della massa totale dell’universo.
[1] In realtà la temperatura stellare non è l’unica responsabile, esiste anche un altro fenomeno descritto dalla meccanica quantistica che qui non è possibile indagare approfonditamente. Per chi fosse interessato, consiglio di cercare “Picco di Gamow”.