Abstract

Ritengo che chiedersi quale possa essere il meccanismo che permette al Sole di brillare sia una domanda spontanea e quasi inevitabile. Ai nostri giorni, pur con le indispensabili semplificazioni, anche chi frequenta la scuola primaria ha modo di conoscere la risposta scientificamente corretta. Ma non è sempre stato così. Che all’origine di questa energia vi fosse una sequenza di reazioni nucleari che, coinvolgendo atomi di idrogeno, producono atomi di elio è parte del nostro sapere scientifico solamente dal 1939. Proviamo dunque a ripercorrere a grandi linee le risposte che, nel corso del tortuoso cammino che spesso caratterizza la scienza, sono state proposte.

Il Sole che produce tutta l’energia necessaria

Facile comprendere come il Sole occupi da sempre un posto particolare nella società umana. Fin dall’antichità non solo gli viene riconosciuto un ruolo chiave nel garantire una situazione climatica favorevole alla vita, ma le periodicità del suo cammino in cielo (alternanza giorno/notte e ciclo stagionale) si rivelano anche un ottimo strumento per tener traccia dello scorrere del tempo. Inevitabile che – sia per la potenza che mostra di avere, sia per la sua costante presenza fin dalla notte dei tempi – nelle civiltà del passato venga identificato con una divinità e adorato come tale. Poco importa definire quali siano la vera natura e l’origine dello splendore e del calore del Sole. L’idea di Aristotele (384 – 322 a.C.) che le leggi della natura valide sulla Terra non siano necessariamente vincolanti per gli oggetti celesti taglia la testa al toro: a differenza dei fuochi terrestri, quel mondo ardente può bruciare per quanto tempo vuole senza creare nessun problema. Per Aristotele la Terra è costituita da materiali che decadono e la luce che qui viene prodotta non può durare a lungo: le fiamme sussultano e cambiano continuamente di forma, il combustibile si esaurisce e la luce si spegne. Sul Sole, però, le cose funzionano in modo differente e quel fuoco che lo alimenta si comporta in modo differente dai roghi a noi famigliari. Nel 1833, anno in cui l’astronomo britannico John Herschel (1792 – 1871) pubblica il suo Trattato sull’Astronomia, affrontando brevemente la questione della fonte dell’energia solare non può che ammettere che si è di fronte a un grande mistero e che gli astronomi sono in grandissima difficoltà. «Se si potessero azzardare congetture per l’origine della radiazione solare – scrive Herschel – dovremmo guardare piuttosto alla nota possibilità di una generazione indefinita di calore per attrito, oppure alla sua eccitazione per scarica elettrica, piuttosto che a qualsiasi combustione di combustibile ponderabile, sia solido che gassoso». La grandissima difficoltà proviene soprattutto dal fatto che chiedersi come il Sole produca la sua energia è strettamente collegato alla domanda relativa alla sua età: due facce di una medesima medaglia. Infatti, se riusciamo a determinare quanta energia produce il Sole, possiamo verificare se le fonti di energia proposte sono in grado di sostenere tale produzione per tutto il tempo dell’esistenza del Sistema Solare. A proposito di quest’ultimo valore, nel 1650 il vescovo irlandese James Ussher (1581 – 1656) nel suo Annales Veteris Testamenti aveva suggerito, basandosi sui suoi conteggi della cronologia biblica, che la nascita della Terra e dell’intero cosmo fosse avvenuta intorno al 4000 a.C. Con neppure 6000 anni di vita alle spalle, trovare per il Sole una fonte di energia adeguata non sembrava poi così impegnativo. È pur vero che, poco più di un secolo dopo la stima di Ussher, James Hutton (1726 – 1797) pubblica quello che viene considerato il primo trattato di geologia moderna in cui non solo si afferma che la Terra è di gran lunga più antica, ma anche che i processi geologici attuali sono gli stessi che si sono verificati nel passato. Dalle considerazioni geologiche emerge con sempre maggiore evidenza che la Terra deve avere almeno qualche centinaio di milioni di anni. Quando poi, nel 1838, il fisico francese Claude Servais Pouillet (1790 – 1868) determina per la prima volta il valore della costante solare (praticamente, quanta energia arriva sulla Terra dal Sole), appare subito piuttosto evidente che, invocando anche il più efficiente tra i meccanismi di combustione chimica, si giungerebbe comunque a valori dell’età del Sole assolutamente incompatibili con le datazioni geologiche. Se si voleva risolvere il problema della produzione di energia del Sole, insomma, era necessario abbandonare la chimica e guardare altrove.

Energia Meteoritica

La prima teoria meccanica del calore solare, pubblicata nel 1841 dal tedesco Julius Robert von Mayer (1814 – 1878), chiama in causa una continua cattura da parte del Sole di asteroidi dallo spazio circostante. Mayer ritiene che gli asteroidi che colpiscono il Sole ad alta velocità siano in grado di generare da 4.600 a 9.200 volte più calore di quanto ne genera la combustione di un’uguale massa di carbone. Più che una caduta diretta, suggerisce un graduale movimento su spirali sempre più strette dovuto alla resistenza dell’etere che, stando alle idee del tempo, riempiva lo spazio. Secondo i suoi calcoli, ogni minuto cadrebbe sul Sole una massa intorno ai 2×10¹⁴ kg, vale a dire una massa terrestre ogni 56.800 anni. La valutazione, però, mette in luce un problema piuttosto spinoso: Mayer si rende conto, infatti, che un simile aumento della massa del Sole comporterebbe un accorciamento dell’anno siderale dell’ordine di mezzo secondo, un effetto in disaccordo con le osservazioni. La teoria meteoritica del calore solare viene suggerita una decina d’anni più tardi anche dal fisico scozzese John James Waterston (1811 – 1883). Ignaro del lavoro di Mayer, tradotto in inglese solo nel 1863, Waterston sostiene che il calore del Sole ha la sua origine dall’afflusso di un gran numero di oggetti che, provenendo principalmente dall’esterno del Sistema Solare, colpiscono il Sole perpendicolarmente alla sua superficie. Le sue stime indicano che, imputando il calore del Sole interamente a tali cadute, il raggio solare aumenterebbe di circa cinque metri all’anno. Mentre Mayer era seriamente preoccupato dal problema dell’aumento di massa del Sole per le sue conseguenze astronomiche, Waterston lo ignorava o, probabilmente, non ne era consapevole.

L’idea, in modo indipendente, viene proposta nel 1854 anche da William Thomson (1824 – 1907): i calcoli del futuro Lord Kelvin, però, lo portano a ipotizzare una pioggia meteoritica decisamente più intensa, suggerendo che si deve mettere in conto la caduta di 100 masse terrestri ogni 4.750 anni. Una quantità di materia davvero importante, ma – secondo le sue parole – «non più di quanto è perfettamente possibile che cada sul Sole». Per quanto riguarda la provenienza, Thomson nega esplicitamente l’ipotesi basata su oggetti provenienti dal Sistema Solare esterno, ma sostiene che i meteoroidi percorrono orbite interne all’orbita della Terra. I calcoli di Lord Kelvin, convinto assertore che lo stesso meccanismo meteoritico fosse responsabile anche della rotazione del Sole attorno al proprio asse, lo portano a concludere che è improbabile che il Sole riesca a mantenere l’attività attuale per molto più di 300.000 anni nel futuro. Si tratta del primo tentativo di calcolare la durata della vita del Sole sulla base di una teoria fisica. L’ARTICOLO COMPLETO è riservato agli abbonati alla versione digitale. Per sottoscrivere l’abbonamento Clicca qui. Se sei già abbonato accedi al tuo account dall’Area Riservata [swpm_protected for=”3″] Quando, nel 1859, l’astronomo francese Urbain Le Verrier (1811 – 1877) annuncia l’esistenza di un’anomalia del perielio di Mercurio, la cui precessione non era in accordo con la meccanica newtoniana, per un breve periodo Thomson pensa che la scoperta sia la prova della sua teoria. Ben presto, però, i calcoli gli mostrano che la massa di meteore che servivano ad alimentare il calore del Sole non concordava con la massa necessaria a spiegare l’anomalia di Mercurio. Senza contare che uno sciame troppo affollato di oggetti all’interno dell’orbita di Mercurio poteva causare non pochi problemi al passaggio delle comete. La durata costante dell’anno siderale e le conseguenti valutazioni che il meccanismo non sia sufficientemente energetico portano ben presto ad accantonare l’ipotesi meteoritica.

Vincoli Stringenti

Il problema di cosa ci fosse dietro all’energia del Sole cambia in modo drastico a partire dalla metà del XIX secolo in seguito alla scoperta del principio di conservazione dell’energia e delle leggi della Termodinamica. In un articolo del 1850 il fisico tedesco Rudolf Clausius (1822 – 1888) formula la sua teoria partendo da due principi fondamentali: il primo è la conservazione dell’energia e il secondo l’affermazione che è impossibile realizzare una macchina in grado, senza l’apporto di energia esterna, di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa a un altro a temperatura più alta. Nel volgere di una decina d’anni, la Termodinamica – nella versione di Clausius o in quella suggerita da Thomson – viene completata e accettata praticamente da tutti. La ricaduta sul problema della sorgente di energia del Sole è enorme: ogni teoria che prevede che il Sole possa essere un oggetto cosmico “eterno” ora non ha più motivazioni fisiche in grado di sostenerla. La ricerca di processi alternativi a quello meteoritico deve ora fare i conti con nuovi e più stringenti paletti fisici.

Nel 1854, il fisico tedesco Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) propone come fonte dell’energia solare la contrazione gravitazionale, un meccanismo in grado non solo di evitare il problema dell’accumulo di massa, ma anche di garantire al Sole una produzione di energia più estesa nel tempo. Thomson, venuto a conoscenza della teoria di von Helmholtz, inizialmente ritiene quel meccanismo insufficiente, ma nel 1891 abbandona la sua idea meteoritica e abbraccia completamente quella gravitazionale. L’autorevolezza di Lord Kelvin fa sì che quella gravitazionale diventi la teoria più gettonata e, di fatto, per quarant’anni si propone come la teoria standard della produzione energetica del Sole. I calcoli di Thomson relativi alla “durata nel tempo” di questa produzione energetica lo portano a ottenere un valore intorno ai 20 milioni di anni. Un lasso di tempo apparentemente enorme, ma che si scontra subito con la datazione della Terra suggerita da altre discipline. Nel 1859, infatti, nella prima edizione del suo L’origine delle specie, Charles Darwin (1809 – 1882) propone un calcolo del tempo necessario per l’erosione del Weald, la formazione geologica che si estende tra le Downs del Nord e le Downs del Sud nell’Inghilterra meridionale. La sua stima è di 300 milioni di anni, un tempo che gli sembra consono con i ritmi evolutivi. Il problema è che questo tempo è troppo lungo perché si possa accettare che l’energia del Sole provenga dalla contrazione. Le osservazioni di Lord Kelvin a difesa della tempistica della contrazione gravitazionale e l’autorevolezza di cui godeva nell’ambiente scientifico finiscono persino con l’indurre Darwin a togliere quella valutazione dell’erosione del Weald dalle edizioni successive del suo libro. La diatriba sulla tempistica, comunque, è ben lungi dall’essere archiviata e non è neppure l’unico ostacolo con il quale la teoria gravitazionale deve fare i conti.

Il Sole Radioattivo

Nel 1896 Henri Becquerel (1852 – 1908) scopre la radioattività naturale dovuta alle trasformazioni che avvengono negli atomi di uranio. Con la scoperta, due anni più tardi, da parte di Marie Skłodowska Curie(1867 – 1934) e Pierre Curie (1859 – 1906) del radio e del polonio, due elementi molto più attivi dell’uranio, la radioattività comincia a fare veramente notizia e viene studiata con entusiasmo da un gran numero di ricercatori. Non si tarda così a ipotizzare quale fonte (o fonte aggiuntiva) per l’energia del Sole un meccanismo radioattivo. Nel 1903, usando un calorimetro a ghiaccio, Maria Curie e il suo assistente Albert Laborde(1878 – 1968) trovano che l’energia termica liberata dal radio è enorme. Le loro misurazioni mostrano che il decadimento genera 200 mila volte più calore della combustione completa del carbone e un paio d’anni più tardi Ernest Rutherford (1871 – 1937), pur ammettendo che non c’è una diretta evidenza di materia radioattiva sul Sole, sostiene che «dalla somiglianza della costituzione chimica del Sole e della Terra è prevedibile la sua presenza». L’assenza di una pur minima traccia di radio nello spettro solare è un notevole problema, ma una scoperta del 1868 fornisce ai sostenitori del Sole radioattivo una motivazione molto interessante. In quell’anno, in occasione di un’eclissi, il francese Jules Janssen (1824 – 1807) e l’inglese Norman Lockyer (1836 – 1920), indipendentemente l’uno dall’altro, studiando la luce solare e analizzandone lo spettro, individuano la riga di emissione di un elemento del tutto sconosciuto al quale verrà poi dato il nome di elio. Poiché l’elio, in seguito agli esperimenti condotti da Frederick Soddy (1877 – 1956) e William Ramsay (1852 – 1916) nei primi anni del Novecento, lo si ritrova sotto forma di raggi alfa quale sottoprodotto dei processi di decadimento del radio e di altri elementi radioattivi, il chimico e fisico americano Harry Clary Jones (1865 – 1916) suggerisce che, per spiegare l’energia solare,il decadimento del radio potrebbe essere un meccanismo migliore rispetto al meccanismo di contrazione di Helmholtz. Nel 1903 scrive che «se tutto l’elio del Sole proviene dal radio, allora devono esserci, o devono esserci state, enormi quantità di radio nel Sole». Restava sempre il problema – tutt’altro che secondario – di individuarne la presenza. Qualcosa sembra muoversi nel 1912, allorché Hermann Giebeler, un astronomo dell’Osservatorio di Bonn, riferisce di aver osservato nello spettro della Nova Geminorum 2 scoperta in quegli anni la presenza delle righe di uranio, radio e radon. Nello stesso anno il fisico tedesco Heinrich Kayser (1853 – 1940), un’autorità nel campo della spettroscopia, supporta indirettamente le prove di Giebeler suggerendo una teoria dell’origine delle novae basata su processi radioattivi. Tuttavia, le prove vengono contestate da altri astronomi e presto considerate errate. Delle linee riportate da Giebeler, infatti, non se ne trova traccia né all’Osservatorio di Mount Wilson, né all’Osservatorio Yerkes. Al di là dell’ingombrante problema dell’assenza del radio nello spettro solare, considerando la rapidità del suo decadimento, appare comunque evidente che la produzione energetica del Sole non possa basarsi solo su meccanismi radioattivi. Emerge, insomma, l’assoluta necessità di trovare altre spiegazioni e i tempi sono ormai maturi perché, finalmente, ci si incammini nella giusta direzione.

Reazioni Nucleari

A indirizzare nel modo corretto le speculazioni dei fisici che si occupano dell’energia del Sole è senza dubbio il fondamentale lavoro di Albert Einstein (1879 – 1955) e la pubblicazione nel 1905 della sua famosa equazione (E=mc²) che lega la massa e l’energia. È vero che la relazione suggerisce una fonte in grado di mantenere la produzione energetica del Sole per un tempo incredibilmente lungo, ma è comunque indispensabile individuare come quella trasformazione da massa a energia possa avvenire. Nel 1919 l’astronomo statunitense Henry Norris Russell (1877 – 1957) suggerisce correttamente che la chiave di volta di quel processo va ricercata nell’elevatissima temperatura che caratterizza gli interni stellari. Proprio l’anno seguente, grazie alle accuratissime misurazioni ottenute con la spettroscopia di massa che gli valsero il Nobel nel 1922, il britannicoF rancis William Aston (1877 – 1945) trova che quattro atomi di idrogeno sono più pesanti di un atomo di elio. Secondo Arthur Eddington(1882 – 1944), uno dei più importanti astrofisici degli inizi del XX secolo, potrebbe essere questa la chiave per spiegare non solo la produzione di energia, ma anche l’incredibile lunghezza della vita del Sole (valutata in 100 miliardi di anni).

L’elio solare, insomma, può essere collegato a una fonte energetica ben più potente di quella radioattiva. Bisogna risolvere, però, un problema non da poco: spiegare come i nuclei di idrogeno (protoni) riescano a vincere la repulsione elettrostatica – la cosiddetta barriera di Coulomb – per fondersi, formare un atomo di elio e rilasciare energia. La risposta a questo cruciale interrogativo viene data nel 1929 dal fisico di origini russe George Gamow (1904 – 1968). Applicando le leggi della meccanica quantistica (effetto tunnel), Gamow giunge alla formula che,applicata al processo di fusione di due protoni, permette di calcolarne la probabilità di riuscita. Ciò che ottiene è l’esistenza di una probabilità non nulla che tale processo avvenga.

Appurato che il processo, per quanto difficile, non era vietato, si trattava di andare fino in fondo e individuare la catena di reazioni grazie alle quali nel cuore del Sole l’idrogeno viene trasformato in elio liberando energia. Un problema tutt’altro che banale che vede la soluzione solamente nel 1939. È infatti in quell’anno che l’astronomo di origini tedesche Hans Bethe (1906 – 2005) pubblica i dettagli della reazione protone-protone, il meccanismo di produzione energetica dominante in stelle come il Sole. Nello stesso anno, in collaborazione con il fisico tedesco Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 – 2007), propone il ciclo C-N-O, una catena di reazioni molto importante nella produzione di energia soprattutto nelle stelle più massicce del Sole (nella nostra stella contribuisce solamente per circa l’1%). L’apporto cruciale di Bethe alla fisica stellare gli verrà ufficialmente riconosciuto nel 1967 con l’assegnazione del Premio Nobel. Le reazioni nucleari non solo sono in grado di giustificare l’entità della produzione energetica del Sole, ma anche di garantire che tale produzione si protragga ormai da quei quattro miliardi e mezzo di anni che l’analisi geologica attribuisce al nostro pianeta. Ci sono ancora molti elementi da chiarire – si pensi, per esempio, alla spinosa questione del numero dei neutrini risolta solamente nei primi anni 2000 – ma il problema dello splendore del Sole si può finalmente dichiarare risolto. [/swpm_protected] L’articolo è pubblicato in COELUM 266 VERSIONE CARTACEA