Il SoleLa temperatura superficiale del Sole è di circa 5.500 °C mentre quella del suo nucleo è circa 15.000.000, a che cosa è dovuto questo abbassamento termico tra nucleo e superficie?
Sapendo che circa il 71% del nucleo del Sole è composto da idrogeno, circa il 27% da elio e il 2% elementi pesanti, e conoscendo temperatura, composizione e massa, è noto o calcolabile quanto sia la forza di attrazione magnetica e la pressione a cui è soggetto il nucleo del sole?
Considerando che teoricamente molte delle radiazioni pericolose alla salute umana emesse dal sole vengono assorbite o diffuse parzialmente prima dell'atmosfera e dall'atmosfera terrestre, e tenendo in considerazione le percentuali di elementi che compongono il sole, è possibile che altri elementi oltre idrogeno ed elio concorrano alla fusione nucleare?
Esiste qualche possibilità che la reazione di fusione (lo start) oltre alla correlazione magnetica sia indotta da qualche altro tipo di reazione nucleare e di accumulo inizializzabile a -270 °C?

(Nicola)

semaforo gialloTante domande interessanti! Come è fatto il sole, come funziona la fusione nucleare, quali meccanismi e quali elementi coinvolge, che ruolo hanno i campi magnetici, ecc.


Allora, partiamo della cose meglio note. Per misurare la temperatura della superficie del Sole ci basta semplicemente studiare attentamente il "colore" della luce che emette (o più precisamente la distribuzione delle varie frequenze); funziona nello stesso modo con un pezzo di metallo riscaldato o un forno metallurgico.
Va subito ricordato che il Sole emette anche particelle cariche (che formano il vento solare e che danno origine, tra le altre cose, alle aurore boreali) e certe altre radiazioni, invisibili all'occhio, tra cui i raggi infrarossi, gli ultravioletti, ecc. Seconda cosa: anche se non possiamo evidentemente usare la luce per scrutare sotto la sua superficie, siamo relativamente sicuri di conoscere quale sia la temperatura all'interno del Sole, dalla superficie sino al suo centro, a quasi 700 mila km di profondità.
In effetti, una teoria consolidata ci consente di prevedere con accuratezza la struttura del Sole. Abbiamo verificato queste aspettative in vari modi, in particolare per mezzo delle osservazioni delle vibrazioni della sua superficie, un po' come si usano le onde d'urto dei terremoti per sondare l'interno della Terra.
La zona del Sole dove avviene la fusione nucleare è solo quella centrale, la più calda. Stiamo parlando della regione del "nucleo solare", che giace a più di mezzo milione di km di profondità dalla superficie.
Non è difficilissimo farsi una prima grossolana idea di quale sia la temperatura al centro: basta vedere quanta energia cinetica guadagnerebbe un atomo di idrogeno che finisce sulla superficie del Sole da distanze molto grandi, a causa dell'energia di potenziale gravitazionale e calcolare la corrispondente temperatura.
Il nucleo è al centro della cosiddetta zona radiativa, che possiamo pensare come una zona relativamente omogenea. In questa zona, la radiazione si diffonde piano piano dal centro verso l'esterno e la temperatura si abbassa, passando dai 15 milioni di gradi al centro fino a circa 2 milioni di gradi. A questo punto (siamo a circa 200.000 km di profondità) inizia la zona più esterna del Sole, detta zona convettiva, che ha una natura diversa; possiamo pensarla come una pentola d'acqua in ebollizione, dove ci sono grandi masse in movimento. In questa regione, la temperatura si abbassa ancora più velocemente. Poi, c'è proprio la superficie visibile del Sole, detta fotosfera. In quella regione, la densità di materia diventa sufficientemente bassa, da consentire alla luce di allontanarsi liberamente. Esiste anche una regione più esterna, la cromosfera, ma non ci servirà parlarne.
Nella fotosfera, sono presenti alcune delle più caratteristiche manifestazioni dei campi magnetici solari: le macchie solari. Esse sono delle regioni circa 2000 gradi più fredde del resto della superficie, e per questo risultano relativamente oscure, le cui dimensioni vanno da qualche migliaia di km a 50 mila km. I campi magnetici non hanno alcuna importanza per la fusione nucleare. La fusione, ripetiamolo, avviene solo nel centro, dove la temperatura è sufficientemente alta: se i nuclei sono abbastanza veloci riescono ad avvicinarsi gli uni agli altri quel tanto che basta per vincere la repulsione elettrica. Bisogna anche notare che la temperatura centrale del Sole è appena sufficiente per produrre la fusione, che pertanto procede molto lentamente. Questo garantirà al Sole ancora molti miliardi di anni di vita.
Nei reattori sperimentali e innovativi, con cui cerchiamo di realizzare la fusione nucleare sul nostro pianeta (tipo il Tokamak) i campi magnetici hanno un ruolo molto più importante, anche se la causa della fusione è la stessa che nel Sole: la temperatura. I campi magnetici vengono infatti usati per intrappolare una quantità sufficiente materia, portata a temperature enormi e alle quali nessun materiale di contenimento potrebbe resistere, senza essere trasformato anch'esso in plasma. È possibile in linea di principio produrre reazioni nucleari senza dover ricorrere a temperature tanto grandi, usando neutroni o fotoni di alta energia, che non devono vincere la repulsione elettrica tra nuclei; oppure formando atomi esotici, in cui gli elettroni sono rimpiazzati da particelle meno comuni, dette muoni, ma, in pratica, non è facile produrre copiosamente tali speciali particelle.
Nel Sole, le fusioni nucleari riguardano in massima parte l'idrogeno che viene trasformato in elio. Le temperature non sono così alte da consentire che avvengano in misura significativa altre reazioni, cosa che invece avviene in stelle più grandi e più calde.

Fino a pochi anni fa, ci saremmo dovuti fidare solo della teoria per fare affermazioni del genere. Attualmente, per mezzo dell'esperimento Borexino, condotto presso i laboratori del Gran Sasso, abbiamo potuto osservare il centro del Sole e verificare la correttezza di queste idee. Borexino è riuscito a ottenere un risultato del genere grazie all'osservazione di una particolarissima particella, prodotta nelle reazioni di fusione nucleare, e che è capace di attraversare il Sole quasi del tutto indisturbata: il neutrino. Altri esperimenti prima di Borexino avevano visto alcuni neutrini dal Sole, e questo ci aveva permesso di controllare quale fosse la sua temperatura centrale, ma con Borexino, per la prima volta al mondo, siamo riusciti a vedere all'opera i due meccanismi con cui l'idrogeno si trasforma in elio: una catena sequenziale di reazioni di fusione porta alla produzione, per brevi lassi di tempo, di elementi intermedi che poi si disintegrano; ed anche un ciclo di reazioni, basato sulla presenza all'interno del Sole di piccole quantità di carbonio, azoto ed ossigeno che fungono in sostanza da catalizzatori. Ognuno dei due meccanismi produce neutrini di tipo caratteristico, la cui osservazione consente di seguire la produzione di elio, proprio nel momento in cui avviene.

Per una introduzione un po' più dettagliata a questi concetti, si veda p.e. https://scienzapertutti.infn.it/come-funziona-il-sole; per l'annuncio dei risultati di Borexino e ulteriori approfondimenti, rimandiamo infine a https://www.lngs.infn.it/it/news/borexino-stelle-massive

 

Francesco Vissani, fisico

ultimo aggiornamento gennaio 2022