Prefazione

Questo libro racconta una storia che, fino a settant’anni fa, sembrava appartenere alla speculazione filosofica più che alla scienza: l’origine degli elementi chimici di cui è fatto il mondo. Oggi ne disponiamo di una ricostruzione coerente — incompleta, ma sufficientemente robusta da costituire una disciplina autonoma — che intreccia fisica nucleare, evoluzione stellare, cosmologia osservativa e geochimica isotopica. Quello che Eddington [Eddington 1920] aveva potuto soltanto congetturare un secolo fa, e che il paper B²FH [Burbidge et al. 1957] aveva sistematizzato a metà del Novecento, è oggi un edificio in continua espansione, tenuto in piedi da misure di laboratorio, osservazioni spettroscopiche, simulazioni numeriche e, da pochi anni, anche dal rumore di onde gravitazionali.

Scopo dell’opera

L’obiettivo è presentare la nucleosintesi stellare come un insieme organico di processi, dalla sintesi primordiale dei nuclei più leggeri fino alle reazioni che, negli ultimi minuti di vita delle stelle massicce o nelle fusioni di stelle di neutroni, generano gli elementi più pesanti della tavola periodica. Dove possibile ho cercato di mostrare non solo i risultati, ma anche le ragioni delle scelte storiche e modellistiche: la disciplina è giovane abbastanza che molte questioni restino aperte, e la separazione fra ciò che si sa e ciò che si congettura merita di essere esplicita.

Non è un manuale operativo né una rassegna esaustiva della letteratura. Per gli aspetti tecnici di dettaglio rimando alle monografie classiche di Clayton [Clayton 1983], Arnett [Arnett 1996], Pagel [Pagel 2009] e Iliadis [Iliadis 2015], e alle review citate nei singoli capitoli.

Pubblico e scrittura a profondità progressiva

Il libro è pensato per un lettore variegato: studenti di fisica e astronomia ai primi corsi avanzati; ricercatori di discipline limitrofe — chimica, geologia, scienze planetarie — che desiderino accostarsi al campo; lettori curiosi con una solida cultura scientifica generale. Per ricucire queste esigenze, ogni capitolo adotta una scrittura a profondità progressiva: la trattazione muove dalla narrazione accessibile — analogie quotidiane, immagini concrete, ordini di grandezza — verso il formalismo e i dettagli quantitativi, fino a toccare lo stato dell’arte della ricerca. I tre livelli di difficoltà — principiante, studioso, ricercatore — non sono segnalati né separati: sono intrecciati nel tessuto del discorso, in modo che il lettore possa seguire il filo fin dove il suo interesse e la sua preparazione lo portano, e il passaggio dal semplice al complesso risulti naturale come una conversazione che si approfondisce.

Non occorre leggere ogni formula per cogliere il senso della storia, ma ogni formula è lì per chi la cerca.

Prerequisiti

Per seguire il filo narrativo di ciascun capitolo sono sufficienti curiosità e una conoscenza scolastica della tavola periodica e del sistema solare. Per apprezzare le derivazioni e il formalismo essenziale è utile conoscere meccanica e termodinamica classica, le basi della meccanica quantistica (effetto tunnel, distribuzioni statistiche) e gli elementi essenziali di fisica nucleare (energia di legame, decadimenti $\alpha$ e $\beta$). Per seguire i dettagli più tecnici — sezioni d’urto, codici di simulazione, riferimenti alla letteratura recente e questioni aperte — è consigliabile familiarità con la teoria delle reazioni nucleari (fattore astrofisico $S$), con i codici di evoluzione stellare e con la lettura di articoli specialistici.

Convenzioni notazionali

Salvo diversa indicazione, adotto le convenzioni della letteratura astrofisica.

• Unità. Sistema CGS gaussiano per le quantità astrofisiche (densità in $\mathrm{g\,cm^{-3}}$, energia in erg, sezione d’urto in $\mathrm{cm^2}$) e SI o unità nucleari quando più naturali (energie in MeV, sezioni d’urto in barn = $10^{-24}\,\mathrm{cm^{2}}$, masse in u o $\mathrm{MeV}/c^{2}$). Le conversioni rilevanti sono richiamate alla prima occorrenza.
• Isotopi. La notazione completa è $^{A}_{Z}\mathrm{X}$ con $A$ numero di massa, $Z$ numero atomico, $\mathrm{X}$ simbolo chimico; quando $Z$ è ridondante scrivo semplicemente $^{A}\mathrm{X}$ (es. $^{12}\mathrm{C}$, $^{56}\mathrm{Fe}$). Per i decadimenti uso le frecce standard, ad esempio $^{14}\mathrm{C} \to {}^{14}\mathrm{N} + e^{-} + \bar{\nu}_{e}$.
• Reazioni. Notazione di Bethe $A(a,b)B$ per $a + A \to b + B$.
• Abbondanze. Frazione in massa $X_{i}$ (con $\sum_{i} X_{i} = 1$), frazione in numero $Y_{i} = X_{i}/A_{i}$, abbondanza spettroscopica $\log \epsilon(\mathrm{X}) = \log(N_{\mathrm{X}}/N_{\mathrm{H}}) + 12$. Per le abbondanze solari di riferimento adotto i valori di Asplund et al. [Asplund et al. 2021] , segnalando il discostamento dalle compilazioni precedenti quando rilevante.
• Metallicità. $[\mathrm{Fe/H}] = \log(N_{\mathrm{Fe}}/N_{\mathrm{H}})_{\star} - \log(N_{\mathrm{Fe}}/N_{\mathrm{H}})_{\odot}$.
• Costanti fisiche. Valori CODATA aggiornati, riassunti in appendice quando necessario.
• Riferimenti bibliografici. Citazioni tramite il componente <Fonte />, il cui identificatore corrisponde alle voci della bibliografia.

Stato dell’opera e contributi

Quest’opera è in bozza attiva: capitoli e appendici verranno aggiornati nel tempo, e il numero di versione nei metadati segnala l’entità delle revisioni. La licenza CC BY-SA 4.0 ne consente la libera redistribuzione e l’adattamento, a parità di licenza. Il codice sorgente è pubblico: ogni segnalazione di errore — formule, riferimenti, sviste storiche, traduzioni — è benvenuta.

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Buona lettura.

Carlo De Carolis