Marialuisa Aliotta, alla ricerca dell’origine dell’oro dell’universo e degli altri elementi pesanti

L'oro che portiamo al polso, il calcio delle nostre ossa, l'ossigeno che respiriamo: ogni elemento chimico che ci circonda ha un'origine cosmica specifica, e rintracciarla ha richiesto decenni di misure condotte in alcuni dei laboratori più isolati del pianeta. I nuclei degli elementi leggeri come idrogeno ed elio si sono formati nei minuti immediatamente successivi al Big Bang, mentre tutto il resto – dal carbonio al ferro e alla gran parte della tavola periodica – si è originato più tardi all'interno delle stelle, attraverso reazioni di fusione nell’arco di miliardi di anni.

Per gli elementi più pesanti, però, la fusione non è sufficiente, ma occorrono condizioni fisiche estreme che si verificano solo in eventi cosmici rari e violenti. La domanda su come e dove si siano formati questi elementi resta ancora, in parte, aperta. «Il percorso comincia da quello che è accaduto nei primissimi istanti dell'universo e attraversa la storia cosmica dalle prime generazioni di stelle fino a quelle che osserviamo oggi nel cielo notturno», racconta Marialuisa Aliotta, professoressa di Astrofisica nucleare sperimentale e responsabile del gruppo di Fisica nucleare presso la School of Physics and Astronomy dell'università di Edimburgo, in Scozia.

Nata e cresciuta in Sicilia, si è laureata in Fisica a Catania nel 1993. Dopo aver fallito l'esame di ammissione al dottorato di ricerca, ha trasformato quella battuta d'arresto in un'opportunità, trasferendosi per un anno all'università di Bochum, in Germania, dove insegnava Claus Rolfs, tra i fondatori dell’astrofisica nucleare moderna. È lì che sono nati i primi legami professionali che l’hanno accompagnata per il resto della carriera. Tornata a Catania, Aliotta ha discusso la prima tesi di dottorato dedicata a questo campo in tutto l'ateneo, sotto la supervisione del professor Claudio Spitaleri, per poi proseguire al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso e trascorrere un altro periodo in Germania, grazie a una borsa di studio della fondazione Alexander von Humboldt. Nel 2001 è approdata all'università di Edimburgo come lecturer (l’equivalente del ricercatore universitario), diventando negli anni successivi professoressa – prima associata e poi ordinaria – e restando per i primi cinque anni l'unica donna del dipartimento di Fisica.

Il lavoro sperimentale di Aliotta si svolge in gran parte sottoterra. Fa parte della collaborazione LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) che opera nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, uno dei principali centri al mondo per la fisica astro-particellare. La scelta di andare sotto una montagna per compiere gli esperimenti non è casuale: le reazioni di fusione che avvengono all'interno delle stelle, coinvolgono segnali difficili da isolare in superficie a causa dell'interferenza costante prodotta dai raggi cosmici. Solo in un ambiente schermato dalla roccia è possibile osservare con precisione questi segnali deboli. Il laboratorio del Gran Sasso permette di farlo utilizzando un piccolo acceleratore di particelle installato sotto oltre mille metri di roccia, una protezione naturale che riduce il disturbo cosmico di oltre un milione di volte rispetto a un impianto installato in superficie. «Studiamo, in laboratorio, le reazioni nucleari che avvengono all'interno di stelle come il nostro Sole, cercando di riprodurre condizioni il più simili possibile a quelle reali», spiega Aliotta. «Senza questo tipo di isolamento sarebbe impossibile distinguere il segnale che cerchiamo dal rumore di fondo».

Il meccanismo di fusione tra particelle elettricamente cariche che si studia al Gran Sasso è quello responsabile, però, solo della formazione degli elementi leggeri e medi (in termini di peso atomico), arrivando fino al ferro: oltre questo elemento il processo smette di funzionare, perché la fusione non produce più energia sufficiente a sostenerlo. «Per formare elementi come l'oro serve un meccanismo completamente diverso, chiamato cattura rapida di neutroni, che richiede condizioni fisiche talmente estreme da poter avvenire solo in occasione di eventi cosmici catastrofici», aggiunge Aliotta. Per anni gli scienziati hanno discusso quale fosse l'ambiente capace di produrre questi elementi pesanti, individuando due possibili candidati: le esplosioni di supernova, oppure la fusione di due stelle di neutroni. La conferma osservativa è arrivata nell'agosto del 2017, quando la rilevazione di onde gravitazionali provenienti da una collisione tra stelle di neutroni è stata seguita da un fenomeno luminoso (chiamato kilonova), la cui radiazione ha evidenziato tracce chimiche compatibili con la sintesi di elementi pesanti come lo stronzio e, appunto, l'oro.

«Oggi abbiamo la conferma che queste collisioni possono davvero produrre elementi pesanti, ma resta ancora da capire quanto questo processo sia frequente rispetto alle supernove, che restano l'altro candidato per la generazione degli elementi pesanti», osserva Aliotta.

Il filone di ricerca più recente riguarda invece un problema diverso, legato alle primissime stelle dell'universo. Queste stelle primordiali, formate a partire da idrogeno ed elio puri, avrebbero dovuto affrontare un ostacolo insormontabile: per restare stabili, una stella di massa sufficientemente grande deve convertire idrogeno in elio attraverso un ciclo che richiede la presenza di carbonio, azoto e ossigeno come catalizzatori, elementi che le stelle primordiali non possedevano ancora. Si era ipotizzato l'esistenza di reazioni alternative capaci di produrre il carbonio necessario prima che si innescasse il tradizionale meccanismo di fusione tra nuclei di elio, ma quelle reazioni non erano mai state misurate alle energie di reale interesse astrofisico.

È esattamente ciò a cui Aliotta si dedica oggi con il suo team, grazie a un ERC Advanced Grant (uno dei finanziamenti più prestigiosi assegnati dal Consiglio Europeo della Ricerca) ottenuto nel dicembre 2024. «Su una di queste reazioni abbiamo già osservato un aumento significativo della probabilità di fusione rispetto a quanto si pensava», racconta Aliotta. Lo stesso filone di ricerca potrebbe offrire anche una chiave di lettura per il cosiddetto mistero del litio mancante: i modelli teorici prevedono una quantità di litio primordiale tre volte superiore a quella effettivamente osservata nell'universo, e le stesse reazioni allo studio potrebbero spiegare, almeno in parte, questa discrepanza. Le misurazioni proseguiranno da novembre anche al Felsenkeller, un laboratorio sotterraneo in Germania ricavato da un'antica cantina un tempo usata per conservare la birra al fresco.

Uno degli aspetti che Aliotta apprezza di più del proprio lavoro, e della collaborazione LUNA composta da circa 60 ricercatori, è la sua dimensione ancora molto umana: gli studenti di dottorato imparano a utilizzare direttamente il piccolo acceleratore di particelle del laboratorio e seguono l'intero percorso di una ricerca, dalla progettazione dell'esperimento fino alla pubblicazione scientifica, un'esperienza molto diversa da quella offerta dalle grandi collaborazioni internazionali con centinaia di partecipanti. Proprio questo racconto sull'origine degli elementi sarà al centro dell'intervento che Aliotta terrà alla sua prossima visita in Italia, il 9 ottobre (ore 11) alla XXIV edizione di BergamoScienza – il festival di divulgazione scientifica in programma dall'1 all'11 ottobre – con una conferenza dal titolo “Figli delle stelle: alla ricerca delle origini degli elementi”.

Nonostante i 25 anni trascorsi a Edimburgo, il legame di Aliotta con l'Italia e con la sua Sicilia resta sempre saldissimo. «Ho iniziato ad apprezzare l’Italia ancora di più da quando vivo all'estero, e mi rendo conto che abbiamo una formazione scolastica e universitaria che non ha nulla da invidiare agli altri paesi», racconta Aliotta. «Guardando al futuro, non escludo un periodo sabbatico in Italia verso la conclusione del mio attuale progetto di ricerca, prima del rientro definitivo al momento della pensione», conclude Aliotta.