Astronomia gamma
Sorgenti di emissioni gamma
Il sole Emissione diffusa Stelle di neutroni Buchi neri Nucleosintesi Nuclei galattici attivi Lampi gamma Elettrodinamica
Nucleosintesi
Regioni dove avviene la nucleosintesi La supernova 1987AIl decadimento radioattivo dei nuclei instabili è uno dei principali processi di produzione di fotoni gamma di bassa energia. I nuclei instabili sono il risultato di complesse reazioni nucleari che producono isotopi radioattivi intermedi. I processi che possono portare alla produzione di fotoni gamma sono essenzialmente due:
- il decadimento gamma che produce una transizione da uno stato eccitato del nucleo ad uno di minore energia con emissione di un fotone gamma avente energia pari alla differenza di energia tra i due stati
- il decadimento beta che può provocare l’emissione di positrone, il quale, una volta termalizzato (cioè portato ad un basso livello di energia cinetica), può annicchilirsi con un elettrone e provocare la ben nota emissione di due fotoni da 511 keV.
I luoghi di produzione di questi elementi instabili sono gli strati interni delle stelle, le esplosioni di supernovae e novae, e regioni del mezzo interstellare dove avvengono collisioni di nuclei atomici con raggi cosmici di elevata energia.
L’universo che cambia
La composizione iniziale dell’universo era stabilita dalla nucleosintesi primordiale avvenuta pochi istanti dopo il BIG BANG. Il gas nucleare primordiale era costituito per il 76% da Idrogeno e in parte molto minore deuterio, il 24% da 3He e 4He con prevalenza di 4He e tracce di 10 parti per milione di 7Li e 6Li. La nucleosintesi stellare ha portato alla formazione di elementi più pesanti che gli astronomi chiamano metalli. L’osservazione degli isotopi radioattivi nella banda di energia gamma consente di studiare l’evoluzione chimica dell’universo e i procedimenti di "inquinamento" del gas interstellare con i metalli.
Regole fondamentali
Gli isotopi radioattivi vanno distinti in tre categorie: gli isotopi a tempo vita breve (qualche ora) che sono destinati a permanere nella regione di produzione, gli isotopi a vita media (un centinaio di giorni) che possono spargersi nella regione circostante la sorgente ed infine gli isotopi di lunga durata (106 anni) che possono allontanarsi anche si diverse centinaia di anni luce. Le famiglie isotopiche più importanti e osservate in astronomia gamma sono elencate nella seguente tabella.
| Isotopo | Decadimento | Fotone gamma | Sorgente | Vita media |
|---|---|---|---|---|
| 7Be | 7Be 7LI | 478 keV | 77 giorni | novae |
| 56Ni | 56Ni56Co 56Fe | 847 - 1238 keV | 111 giorni | supernovae |
| 57Ni | 57Ni 57Co57Fe | 122 keV | 390 giorni | supernovae |
| 22Na | 22Na22Ne + e+ | 1275 - 511 keV | 3,8 anni | novae |
| 44Ti | 44Ti44Sc 44Ca | 1156 - 68 - 78 keV | 89 anni | supernovae |
| 26Al | 26Al 26Mg + e+ | 1809 - 511 keV | 1,04·106 anni | supernovae e novae |
| 60Fe | 60Fe 60Co | 59 - 1173 - 1332 keV | 2·106 anni | supernovae |
| e+ | e+ e g g | 511 keV | ~105 anni | supernovae |
L’intensità di una specifica riga in emissione gamma ci permette di ricavare l’abbondanza di nuclei X radioattivi:
Nel caso siano possibili più modi di decadimento occorre calcolare la probabilità di ciascun decadimento per poi risalire alla quantità originale
L’energia di legame per nucleone generalmente si attesta sugli 8 MeV mentre la differenza di energia tra uno stato e il suo successivo cade nell’intervallo compreso tra 100 keV e 2 MeV. 
È quindi normale che le principali emissioni gamma prodotte da decadimento radioattivo cadano in questo intervallo di energie. Esiste una terza reazione responsabile della produzione di nuclei instabili, questa reazione è la cattura neutronica. La sua importanza è legata all’assenza di carica per il neutrone che, non risentendo della repulsione Coulombiana, è anche responsabile della produzione di tutti gli isotopi più pesanti del 56Fe. Infatti il 56Fe è l’elemento di minore energia nucleare. Tutti gli elementi sono destinati a convertirsi in questo isotopo del Ferro attraverso le reazioni nucleari di fusione o fissione. Il passaggio dal 56Fe ad un elemento di massa nucleare maggiore non produce energia ma la richiede. In queste condizioni solo un neutrone energetico può produrre elementi più pesanti cedendo la sua energia cinetica. In realtà il neutrone libero non è una particella stabile e presenta un tempo di vita medio di circa 8 minuti. Queste reazioni devono quindi essere veloci e avere luogo in istanti in cui si liberano grandi quantità di neutroni. Queste condizioni vengono raggiunte soltanto durante l’esplosione di supernova e l’espulsione dei gusci esterni.
L’osservatorio INTEGRAL e la rilevazione della riga in emissione del decadimento dall’alluminio 26
