Nucleosintesi

Le abbondanze degli elementi leggeri nell'universo rappresentano un'importante criterio di verifica della Teoria del Big Bang. È da tempo noto che gli elementi osservabili nel cosmo furono creati in due modi: gli elementi leggeri (per esempio idrogeno, deuterio, elio e litio ) furono prodotti negli istanti successivi al Big Bang; per gli altri, si ritiene che la loro origine vada ricercata all'interno delle stelle formatesi molto più tardi nella storia dell'universo. Sia la teoria che le osservazioni fanno ritenere queste ipotesi le più probabili.

Negli anni '50 e '60, la teoria predominante a questo proposito, era quella dovuta al lavoro condotto da G. Burbidge, H. Burbidge, Fowler e Hoyle.

Il postulato della loro ipotesi era questo: tutti gli elementi venivano prodotti sia all'interno delle stelle che durante l'esplosione delle supernovae.

Mentre questa teoria riscuoteva un relativo successo, si scoprì che in alcune sue parti mostrava alcune importanti lacune. Per esempio, se realmente le stelle erano l'unica sorgente d cui poteva essersi formato l'elio, la percentuale di questo elemento nell'universo osservato doveva essere nell'ordine del 3-4%. Le osservazioni però indicavano per questa percentuale un valore del 25%, ben lontani dalle previsioni della teoria !
Un dilemma simile riguardava il deuterio. Concordemente a quanto previsto dalle teorie sull'evoluzione stellare infatti, questo elemento viene disgregato, e non prodotto, all'interno delle stelle. La teoria di Hoyle e compagni non poteva, da sola, spiegare le abbondanze osservate nell'universo, di elio e deuterio.

Grazie agli sforzi pionieristici di George Gamow e dei suoi collaboratori, esiste oggi una teoria che spiega in maniera soddisfacente la produzione degli elementi leggeri nell'universo primordiale. Nei primissimi istanti della formazione dell'universo, la temperatura era così elevata che le particelle della materia primordiale erano completamente dissociate. Circa tre minuti dopo, l'universo si raffreddò dalla incredibile temperatura di 10³² gradi kelvin a quella di 10⁹ kelvin.
A questa temperatura, poteva avere luogo la nucleosintesi cioé la produzione degli elementi leggeri.
In un breve intervallo di tempo, protoni e neutroni si scontrarono formando nuclei di deuterio (formati da un protone ed un neutrone). Buona parte degli atomi di deuterio vennero a collidere con altri protoni e neutroni formando nuclei di elio e modeste quantità di trizio (un protone e due neutroni). Dalla coalescenza di un nucleo di trizio e due di deuterio, si formarono anche nuclei di litio 7.

La Teoria della nucleosintesi del Big Bang, predice che il 25% della massa dell'universo sia composta da elio, prevede inoltre, la presenza di un 0,001% di deuterio e quantità inferiori di litio.
Il punto importante è che queste previsioni dipendono fondamentalmente da un dato: la densità della materia barionica (per esempio neutroni e protoni) al momento stesso della nucleosintesi. Un determinato valore di questa densità barionica può quindi spiegare immediatamente tutte le abbondanze.
Questo valore relativamente basso, porta a concludere che non tutta la materia oscura può essere barionica e ci obbliga a prendere in considerazione l'esistenza di particelle esotiche.

Il fatto che ovunque l'abbondanza dell'elio non scenda mai al di sotto del 23% della massa, è una prova importante che l'universo ha attraversato una fase in cui era estremamente caldo e rappresenta uno dei pilastri della teoria del Big Bang caldo. Ulteriori conferme vengono dalle abbondanze di altri elementi leggeri.