La sorprendente ragione quantistica per cui il Sole splende

La Terra, come la conosciamo, pullula di vita solo grazie all’influenza del nostro Sole. La sua luce e il suo calore forniscono a ogni metro quadrato della Terra – quando è esposto alla luce solare diretta – una potenza costante di circa 1500 W, sufficiente a mantenere il nostro pianeta a una temperatura confortevole affinché l’acqua liquida esista continuamente sulla sua superficie. Proprio come le centinaia di miliardi di stelle della nostra galassia tra i trilioni di galassie nell’Universo, il nostro Sole brilla continuamente, variando solo leggermente nel tempo.

Ma senza la fisica quantistica, il Sole non brillerebbe affatto. Anche nelle condizioni estreme che si trovano nel nucleo di una stella massiccia come il nostro Sole, le reazioni nucleari che la alimentano non potrebbero verificarsi senza le bizzarre proprietà richieste dal nostro Universo quantistico. Per fortuna, il nostro Universo è di natura quantistica, il che consente al Sole e a tutte le altre stelle di brillare come fanno loro. Ecco la scienza su come funziona.

Starlight è la più grande fonte di energia dell'Universo durante tutta la sua storia di 13,8 miliardi di anni, successiva al caldo Big Bang. Queste grandi e massicce concentrazioni di idrogeno ed elio si contraggono sotto la loro stessa gravità quando si formano per la prima volta, facendo sì che i loro nuclei diventino sempre più densi durante il riscaldamento. Alla fine, viene raggiunta una soglia critica – a temperature di circa 4 milioni di Kelvin e densità superiori a quelle del piombo solido – dove inizia la fusione nucleare nel nucleo della stella.

Ma ecco il puzzle: puoi determinare esattamente quanta energia devono avere le particelle del Sole e calcolare come sono distribuite tali energie. Puoi calcolare quali tipi di collisioni si verificano tra i protoni nel nucleo del Sole e confrontarli con la quantità di energia necessaria per portare effettivamente due protoni in contatto fisico tra loro: superare la repulsione elettrica tra di loro.

E quando fai i tuoi calcoli, trovi una conclusione scioccante: lì non si verificano collisioni con abbastanza energia da portare alla fusione nucleare. Zero. Proprio nessuno.

A prima vista, ciò sembrerebbe rendere la fusione nucleare – e quindi la capacità del Sole di brillare – completamente impossibile. Eppure, in base all’energia che osserviamo proveniente dal Sole, sappiamo che, in effetti, brilla.

Nel profondo del Sole, nelle regioni più interne dove la temperatura varia tra 4 milioni e 15 milioni di Kelvin, il nucleo di quattro atomi di idrogeno iniziali (cioè i singoli protoni) si fonderà insieme in una reazione a catena, con il risultato finale producendo un nucleo di elio (composto da due protoni e due neutroni), insieme al rilascio di una notevole quantità di energia.

Quell'energia viene trasportata sotto forma sia di neutrini che di fotoni, e mentre i fotoni potrebbero impiegare più di 100.000 anni prima di raggiungere la fotosfera del Sole e irradiarsi nello spazio, i neutrini escono dal Sole in pochi secondi, dove siamo stati rilevandoli sulla Terra dagli anni ’60.

Potresti pensare a questo scenario ed essere un po' perplesso, poiché non è ovvio come l'energia venga rilasciata da queste reazioni. I neutroni, vedi, sono leggermente più massicci dei protoni: di circa lo 0,1%. Quando si fondono quattro protoni in un nucleo contenente due protoni e due neutroni, si potrebbe pensare che la reazione richieda energia invece di emetterla.

Se tutte queste particelle fossero libere e non legate, ciò sarebbe vero. Ma quando neutroni e protoni sono legati insieme in un nucleo come l'elio, finiscono per essere legati insieme così strettamente che in realtà sono significativamente meno massicci dei loro singoli costituenti non legati. Mentre due neutroni hanno circa 2 MeV (dove un MeV è un milione di elettronvolt, una misura di energia) più energia di due protoni - secondo E = mc² di Einstein - un nucleo di elio è l'equivalente di 28 MeV più leggero di quattro protoni non legati .

In altre parole, il processo di fusione nucleare rilascia energia: circa lo 0,7% dei protoni che si fondono insieme viene convertito in energia, trasportata sia dai neutrini che dai fotoni.