Come ci scalda il sole

Il Sole ci invia circa 1 kilowatt di energia su ogni metro quadrato della superficie terrestre, cosa che gli utenti dei pannelli solari conoscono. Questo è sufficiente per far funzionare 100 lampadine Led da 10 watt.

Cla sua energia ci arriva sotto forma di fotoni. Una piccola parte corrisponde alla gamma visibile, è quella che viene percepita dalla retina dell'occhio; gli altri fotoni sono distribuiti tra infrarossi, ultravioletti, raggi X e gamma… Tanti nomi che designano diverse gamme di energia, alcune delle quali ci riscaldano, altre ci illuminano, altre ancora deteriorano le molecole o provocano scottature… Ma come nascono questi fotoni ?

I primi calcoli sull'energia solare

Per molto tempo ci siamo chiesti da dove provenisse l'energia del Sole: perché la nostra stella brucia? Lo scienziato del XIXe secolo Hermann von Helmholtz, promotore di principio di conservazione dell'energia, considerato per primo il modello di un Sole fatto di carbone ardente. Conoscendo l'energia specifica di combustione e l'energia totale emessa dalla nostra stella, ha dedotto un tempo di vita di circa 5000 anni. Troppo piccolo rispetto a tutte le età astrofisiche già conosciute all'epoca! La palla di carbone incandescente non era quindi la risposta giusta. Nessuna reazione chimica in grado di spiegare la luminosità del Sole, Helmholtz ha ipotizzato un collasso gravitazionale: si tratta della contrazione di un corpo massiccio sotto l'effetto della sua stessa attrazione. Ha stimato a 80 metri all'anno il restringimento del Sole necessario per produrre la sua energia. Ha poi stimato che il Sole potrebbe avere 20 milioni di anni. Il conto ancora non c'era!

Kelvin a sua volta ha affrontato il problema. Ha ipotizzato un bombardamento di meteoriti. Facendo un'ipotesi plausibile sull'energia degli oggetti che colpiscono il Sole, trovò che questa soluzione fosse accettabile, ma il processo avrebbe dovuto influenzare la rotazione della Terra. Lo respinse e tornò all'idea della contrazione gravitazionale. Migliorando i calcoli di Helmholtz, ottenne un'età di 60 milioni di anni.

Oggi sappiamo che l'età del Sole è di 4,6 miliardi di anni, i calcoli erano quindi molto lontani dal conto. La soluzione corretta doveva arrivare nel secolo successivo, il XXe, in un campo all'epoca completamente sconosciuto: la fisica nucleare.

Fusione nucleare

Non è stato fino a quando Hans Bethe negli anni '1930 ha capito che l'energia solare deriva da a trasmutazione nucleare che si svolge proprio nel cuore della nostra stella, dove la densità della materia è abbastanza forte da "incollarsi" tra di loro protoni. Il Sole è costituito da queste particelle primarie, che possono fondersi in un processo che inizia con la reazione: p + p → d + e+ +e

Qui, d indica l'assemblaggio di un protone e un neutrone, chiamato deuto. Le reazioni sono collegate in cascata per portare ad una fusione globale tra 4 protoni che formano un nucleo di elio (composto da 2 protoni e 2 neutroni) accompagnato da 2 positroni (antielettroni) e 2 neutrini, indicato con ν. Allo stesso tempo, questa reazione rilascia un'energia di 28 MeV (4,5 10 -12% Joule in unità del sistema internazionale), che saranno emessi sotto forma di fotoni.

Questo processo implementa l'equivalenza massa-energia secondo la famosa formula di Einstein E = mc2. Infatti, 4 protoni “pesano” più di un nucleo di elio. Quindi la massa viene convertita in energia, che viene rilasciata nel processo. Si calcola che 5 grammi di combustibile nucleare forniscano tanta energia quanto una tonnellata di carbone.

Verifica la teoria rilevando i neutrini

Come controllare ciò che è nascosto nel centro stesso del Sole? Con la produzione di energia dovrebbe esserci emissione di neutrini - possiamo rilevarli? Dalla luminosità ricevuta, è abbastanza facile calcolare il flusso previsto di queste particelle. Il risultato è notevole: 1038 i neutrini vengono prodotti ogni secondo, determinando un flusso sulla Terra di 60 miliardi di neutrini al secondo per cm2.

Misurare questo flusso di neutrini dimostrerebbe che la fusione nucleare è davvero la fonte di energia solare. Problema, è eccessivamente difficile catturare i neutrini. Sono particelle fantasma che attraversano la materia senza quasi lasciare traccia. Eppure la caccia iniziò, e negli anni '1960, Ray Davis costruito una grande piscina, pieno di 600 tonnellate di liquido clorurato, sepolto in una miniera d'oro nel South Dakota.

Un neutrino che interagisce nel liquido trasforma un atomo di cloro in un atomo di argon radioattivo. L'argon radioattivo vive in media 37 giorni e può essere rilevato attraverso il suo decadimento radioattivo. In Dakota, il fluido è stato testato ogni 10 giorni circa; bisognava cercare nuclei interessanti annegati in 600 tonnellate di liquido. Tuttavia, la misurazione era dell'ordine di un argon ogni tre giorni quando il rilevatore era stato dimensionato per raccoglierne uno al giorno. L'ostinata ricerca è durata più di 30 anni, fino agli anni '1990, ma le misurazioni sono rimaste in deficit, due terzi dei neutrini del Sole non hanno risposto alla chiamata.

Era facile non riporre grande fiducia nel risultato di Ray Davis, vista la difficoltà della misurazione. Tecnologicamente più avanzati, altri due esperimenti Gallex sotto il traforo del Gran Sasso in Italia e Salvia sotto il monte Elbrus in Russia, usarono un metodo simile, questa volta convertendo il gallio in germanio radioattivo. Questi due esperimenti hanno anche misurato un deficit di neutrini rispetto al flusso previsto dalla teoria! Hanno così dato più credibilità alla realtà di questo deficit, ma non è stato fino alla gigantesca esperienza giapponese. Super Kamiokande convincere la comunità che non si trattava di errori di misurazione.

L'interno del serbatoio rivelatore SuperKamiokande in Giappone viene riempito nell'aprile 2006.
Copyright Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Università di Tokyo

Il metodo di rilevamento è diverso dai precedenti, perché SuperKamiokande rileva in tempo reale la luce bluastra emessa durante il passaggio dei neutrini (ilEffetto Cherenkov) nell'enorme serbatoio da 50 kiloton - 7 volte il peso della Torre Eiffel - che costituisce il rivelatore e sepolto in una galleria sotterranea. Modalità lorda, i neutrini possono interagire con gli elettroni nell'acqua e rilasciarli. Questi elettroni si propagano quindi più velocemente della luce che, in acqua, viaggia “solo” a 220 km/s. Danno un segnale luminoso che segue la direzione del neutrino iniziale. L'esperimento SuperKamiokande consente quindi di garantire che i neutrini rilevati provengano effettivamente dal Sole che brilla in un punto (noto) del cielo. Si stacca infatti un forte picco nella direzione voluta: questo mostra chiaramente una produzione di neutrini provenienti dall'interno.

Il Sole ripreso attraverso i suoi neutrini. Il giallo rappresenta un flusso maggiore di neutrini, rilevato dall'esperimento SuperKamiokande.
Copyright Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Università di Tokyo

Grazie a tale studio, SuperKamiokande riesce nella sfida di una “neutrinografia” del Sole in tempo reale: scattare “foto” del Sole mentre siamo sepolti sotto la roccia, sia di giorno che di notte: molto forte!

E lascia che tutto questo diventi una stella nella notte!

Victor Hugo, contemplazioni

I rivelatori di neutrini mostrano che un grande flusso di neutrini proviene effettivamente dal Sole, il che dimostra che l'energia della stella proviene dalla fusione nucleare. Ma poi l'enigma prende una nuova piega.

Deficit di neutrini

Nonostante il tremendo flusso di neutrini solari ricevuti dal gigantesco rivelatore, l'esperimento ne intrappola solo 15 al giorno quando ne prevediamo 40. Il deficit è stato confermato, misurato qui al 60%. Per spiegarlo si è imposta un'idea, quella delle oscillazioni.

Conosciamo 3 diversi tipi di neutrini. Quelli prodotti nel Sole sono del primo tipo chiamato neutrini elettronici,e. Ma ci sono altri due tipi, i neutrini muonica et tauici. È possibile che questi ragazzi si uniscano in un viaggio nello spazio scambiando le loro personalità? I rilevatori utilizzati hanno rilevato solo il νe. Per dimostrare l'idea delle oscillazioni, era necessario intrappolare i tipi diversi da νe. Questa era la missione di un dispositivo canadese chiamato SNO (Osservatorio sui neutrini di Sudbury). Installato in una miniera vicino a Toronto, il rilevatore questa volta utilizza una chilotonnellata di acqua pesante come mezzo sensibile. In acqua pesante, D2O, il protone è sostituito da un deutone. Ciò consente nuovi canali di reazione a cui partecipano tutti i tipi di neutrini: elettronici, muonici, tauici.

Le informazioni complete sono state ottenute mediante esperimento. Il risultato ha concluso che il flusso di neutrini dal Sole concorda bene con la previsione teorica, ma la quota die spiega solo un terzo del totale. Questa è una prova lampante dell'oscillazione, due terzi dei neutrini hanno cambiato sapore tra il loro punto di produzione all'interno del Sole e il loro punto di rilevamento sulla Terra. Che cosa mai ?

L'apoteosi dei neutrini

L'oscillazione è un cambiamento spontaneo tra diversi tipi di neutrini tanto drastico quanto la conversione di una mela in una pera quando cade nel frutteto di Newton; è una messa in scena concreta dei rapporti diIncertezza di Heisenberg. L'oscillazione implementa le proprietà più sottili della meccanica quantistica e implica che i neutrini hanno massa diversa da zero, che non era affatto ovvio.

Oggi e grazie agli sforzi combinati di diversi meticolosi esperimenti, l'oscillazione ha permesso di misurare masse estremamente piccole: sono meno di un miliardesimo della massa di un protone. Ma sappiamo anche che i neutrini sono miliardi di volte più abbondanti delle altre particelle di materia, da qui la fantastica conclusione: nel bilancio dell'universo, i neutrini, queste particelle apparentemente così umili, pesano quanto tutte le stelle. .

Il Sole invia alla Terra un'energia dell'ordine di 1 kW/m2 sotto forma di fotoni, ma invia anche un flusso aggiuntivo di 600 miliardi di neutrini. Questi trasportano un'energia aggiuntiva di circa 000 W/m2. Ma a differenza dei fotoni, non vengono intercettati dai pannelli solari e quindi la loro energia non può essere catturata. Tuttavia, queste particelle possono essere molto discrete, senza neutrini il Sole non brillerebbe e noi non saremmo qui a parlarne.The Conversation

Francesco Vannucci, Professore emerito, ricercatore in fisica delle particelle, specialista in neutrini, Università di Parigi

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto licenza Creative Commons. Leggi ilarticolo originale.

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