Particolare del tabellone di gioco con le carte. Crediti: Festival della Scienza

Con questo gioco di carte esplorerete un tema affascinante e fondamentale per comprendere l’universo: le reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle. “Accendi la tua stella” è stato proposto in anteprima al Festival della scienza di Genova nel 2024 e costituisce la prima sfida dell’Astro-tamagotchi, il laboratorio di Play Inaf presentato per le prima volta al festival. 

Come ben sapete, guardando il cielo notturno si vedono piccoli puntini luminosi che, in realtà, sono gigantesche fornaci nucleari che brillano per miliardi di anni. Ma vi siete mai chiesti come facciano a produrre una luce così intensa per tutto questo tempo? La risposta si trova nei loro nuclei, dove avvengono potenti reazioni di fusione nucleare.

Cosa accade dunque nel cuore di una stella? Per capirlo, immaginiamo di partire da una stella come il Sole, una stella di dimensioni medie che brilla grazie a un processo che conosciamo come catena protone-protone. Nel nucleo del Sole le temperature raggiungono circa 15 milioni di gradi Celsius, una temperatura tale da permettere agli atomi di idrogeno di fondersi. In questa fusione, quattro nuclei di idrogeno si uniscono per formare un nucleo di elio, liberando un’enorme quantità di energia sotto forma di luce e calore.

Questa energia è fondamentale: non solo fa brillare le stelle, ma regola anche la loro struttura. La pressione generata dalla fusione nucleare contrasta infatti la forza di gravità che spinge verso l’interno, mantenendo la stella stabile. In realtà non tutte le stelle funzionano nello stesso modo: le stelle più grandi del Sole, grazie alla loro massa e alla pressione ancora più elevata, possono alimentare reazioni nucleari più complesse, come il ciclo del carbonio-azoto-ossigeno (CNO), che produce ancora più energia e porta alla formazione di elementi sempre più pesanti, fino al ferro. In questo gioco cercheremo di capire come funziona la catena di reazioni protone-protone.

Prima di passare alla descrizione del gioco vi lasciamo una riflessione: comprendere le reazioni nucleari all’interno delle stelle significa comprendere le origini di ciò che ci circonda e di noi stessi. È un viaggio che va dal microcosmo delle particelle subatomiche all’immensità del cosmo, e ci ricorda che, in qualche modo, anche noi siamo fatti della stessa materia delle stelle.

Preparazione del tavolo e dinamica di gioco

Accendi la tua stella è un gioco che si serve di un mazzo di carte e di un tabellone sul quale avvengono le reazioni. 

Il mazzo di carte è composto da 90 carte così suddivise: protoni (26), elettroni (8), positroni (8), neutroni (8), deuterio (8), elio-3 (8), elio-4 (4) e carte energia (8 energia bassa, 8 energia media, 4 energia alta). Le carte si possono suddividere in due tipologie: quelle “fondamentali” (protoni, elettroni, positroni, neutroni) e quelle “prodotto” (deuterio, He3, He4, carte energia).

Carte del gioco. Crediti: D. Paoletti

Per prima cosa, occorre preparare il tavolo di gioco. Posizionate le seguenti carte prodotto al loro posto, a destra del segno di uguale di ciascuna equazione:

  • prima riga: 8 carte deuterio + 8 carte positrone
  • seconda riga: tutte le 8 carte energia bassa, da 1.02 MeV
  • terza riga: tutte le carte elio-3 (8) e quelle energia media, 5.49 MeV (8)
  • quarta riga: tutte le carte elio-4 (4) più tutti i protoni (8, suddivisi in due pile di 4 ciascuna), 12.96 MeV (4)
Tabellone di gioco pronto per iniziare. Crediti: D. Paoletti

Le carte che rimangono (che vanno a comporre un mazzo di 34 carte fondamentali) dovranno essere usate per completare le reazioni in campo, come reagenti, nel modo che ora vi descriviamo.

Si parte con in mano 5 carte prese dal mazzo di carte fondamentali. 

Sul tabellone di gioco sono evidenti le quattro reazioni nucleari che fanno parte della catena protone-protone ma in realtà è mostrato solo il lato destro di ogni reazione – i prodotti della reazione – in maniera esplicita:

  • X+X=Deuterio + positrone + neutrino
  • L1+L2 = energia
  • Y+X= He3 + energia
  • Z+Z= He4 + protone + protone + energia 

Il giocatore deve capire quali sono i reagenti delle reazioni, ossia a quali carte corrispondono le incognite X, Y, Z, L1 e L2, leggendo attentamente la descrizione su ogni carta, che riporta la sua composizione e carica. Ad esempio, non va bene usare un neutrone al posto della incognita X perché l’unico modo di completare la prima reazione è mettere insieme due protoni (come si vede, i due reagenti devono essere uguali), uno dei quali diventa un neutrone (come riportato nella descrizione della carta protone). 

Completata la reazione, si raccolgono i prodotti generati (nel primo caso, un deuterio e un positrone, il neutrino non ha una sua carta in quanto non rimane nel centro della stella ma fugge via appena creato). Tali prodotti potranno essere usati per completare le altre reazioni in quella che diventa una catena di reazioni che, di fatto, avvengono nelle stelle.

Quando in mano non si hanno carte utili a completare una delle quattro reazioni, si pesca una carta dal mazzo. È quindi possibile ritrovarsi con più di 4 carte in mano. Capirete, giocando (ed è anche riportato nelle istruzioni, sul tabellone di gioco) che c’è una carta “inutile” alle reazioni, che potrete accantonare.

Si procede così, pescando una carta dal mazzo delle carte fondamentali fino a quando non si ha più modo di creare altri prodotti e le carte del mazzo sono terminate. Il pescare rappresenta la casualità dei processi astrofisici, che per avvenire devono aspettare che scenda in campo la particella giusta.

La meccanicità del gioco nel riprodurre le reazioni, completando i reagenti e raccogliendo i prodotti di ogni reazione, permette ai giocatori di familiarizzare con gli “attori” in gioco e assimilare ciò che avviene negli interni stellari. 

Se le reazioni sono state completate correttamente, alla fine rimarranno in mano solamente 2 protoni e 4 atomi di elio-4.

Ecco, fate un po’ di prove… la difficoltà sta solo nell’iniziare, individuando i reagenti giusti a capendo che le reazioni possono avvenire una dopo l’altra ma anche contemporaneamente, se nella stella si vengono a trovare gli attori necessari a farle avvenire. Buon divertimento!

Questa la soluzione:

  • X = protone
  • Y = deuterio
  • Z = He3
  • L1 = elettrone
  • L2 = positrone

Materiale da stampare

L’attività è stata progettata da Daniela Paoletti e Diego Molinari. La grafica è di Daniela Paoletti.