V. Rubakov
Il nostro cielo, benché contaminato da troppe luci di ribalta, troppe metafore e troppi innamorati principianti in manco d’originalità è e resta uno spettacolo che affascina ad ogni età ed in ogni epoca, senza distinzioni di razza cultura ed estrazione sociale, un’espressione di democratica insufficienza dell’uomo come specie dinanzi alla maestà dell’universo.
Tutte le grandi civiltà, dai Mesopotamici ai Maia, dagli imperi subsahariani ai Greci hanno osservato le stelle e le hanno studiate, cercando di capirle, di accettarle come parte del mondo e di sfruttarne le proprietà.
Le prime conoscenze astronomiche furono presumibilmente ad uso e consumo della navigazione. Molto presto infatti i marinai si resero conto che non tutte le stelle seguono un ciclo di rivoluzione nel cielo durante la notte. Alcune, dette stelle fisse, appaiono pressoché immobili. La loro posizione cambia solo in funzione della regione geografica in cui ci si trova e sono quindi uno strumento naturale utile all’orientamento.
Molto presto, certamente in epoca mesopotamica e presumibilmente già in epoca preistorica, si comincia ad attribuire al cielo stellato proprietà mistiche. Lo si identifica spesso come la sede di divine creature, come opera d’arte in cui si iscrivono magnifici disegni, le costellazioni, ancora oggi utilizzate in oroscopi e astrologia e considerate nel culto popolare dotate di proprietà divinatorie.
Può apparire ingenua superstizione, ma è un’ingenuità rigorosa e attenta. Le misurazioni sono già in epoca greca estremamente accurate. Si conoscono la luminosità e la posizione di numerose stelle, i loro cicli notturni. Presto ci si accorge che non tutti gli oggetti in cielo sono stelle. Alcuni brillano, ma altri, molto luminosi, sembrano avere una luce fissa e priva di brillio. Una luce come quella della luna.
Sono i pianeti del nostro sistema solare.
E’ la scuola greca, in linea con le precedenti tradizioni mistiche, che per prima associa alle stelle lo statuto di incorruttibilità e di immortalità. Le stelle (e per primo il sole, da subito riconosciuto come tale) sono considerate pure e immacolate, si muovono su cicli perfetti e ruotano instancabili nella volta celeste.
Il primo a mettere in dubbio l’idillio è un compatriota, noto ai più per le sue diatribe con il clero. Il professor Galilei osserva infatti, grazie alle sue famose lenti, alcune macchie sulla superficie del sole. E’ la fine di un mito.
Le macchie infatti, non contente di sporcare la virginità stellare, sembrano comportarsi in modo ciclico, vanno e vengono durante l’anno. Inoltre appaiono diverse, crescono e rimpiccioliscono. Articoli recenti sembrano indicare un ciclo completo della durata di circa undici anni durante i quali il numero di macchie e la loro intensità varia in modo consistente. Questo significa che il sole è sede di fenomeni violenti e turbolenti, di cambiamento e di divenire.
Alcuni studi hanno evidenziato una forte attività magnetica in corrispondenza delle macchie, dell’ordine di 5000 Gauss (il campo terrestre è di 0.31 Gauss). Le macchie sono luoghi in cui della materia sfugge al sole, ma non sono i più spettacolari. Sono state osservate vere e proprie eruzioni di materia con velocità di 1000 Km/s e alte diversi milioni di chilometri e escrescenze che durano alcuni mesi e si allungano da 100’000 fino a 300’000 Km. Il raggio solare è di 696′000 Km, si tratta dunque di eruzioni che superano il diametro stesso del sole e di escrescenze chiaramente visibili.
Indizi di una non eternità stellare vi erano già stati in precedenza. In Cina, intorno all’anno mille, è ad esempio annoverato un fenomeno ignoto, una stella divenuta improvvisamente estremamente luminosa al punto di essere visibile anche in pieno giorno e per diverse settimane, presumibilmente una nova.
Parrebbe scontato a questo punto concludere che una stella in cui ha luogo una qualche attività è per forza un oggetto del divenire, ha un inizio e una fine. Non è così. Il primo a lanciare l’idea, quasi un secolo dopo, è un prelato inglese, Isaac Newton, che nel 1692 immagina che della povere possa assemblarsi fino a divenire stella.
Ci vorranno gli studi ottocenteschi e la fisica nucleare per porre le basi di uno studio serio in tal senso. E’ solo nello scorso secolo che un modello coerente ed efficace è stato proposto.
Il punto chiave da capire è questo: come è possibile che una nube interstellare, con una temperatura di -260 gradi ed una densità di 10
-22 Kg/dm
3 [1] possa arrivare ad una densità di 160 Kg/ dm
3 ed una temperatura di quindici milioni di gradi?
Impariamo al liceo che un gaz tende ad occupare tutto lo spazio disponibile. E’ vero in laboratorio, sottoposti alla gravità terrestre, ma non è più vero nello spazio cosmico, dove la gravità propria di un sistema interviene.
E possibile dimostrare che esiste un raggio limite (una dimensione limite di una nube di gaz) che dipende dalla massa della nube (grande massa implica grande raggio) e dalla sua temperatura (grande temperatura implica piccolo raggio). Al di sotto del limite la nube di gaz collassa su se stessa e comincia ad addensarsi.
L’idea del meccanismo di innesco è la seguente: una nube di gaz vicina al raggio limite di collasso viene attraversata da un’onda d’urto (l’esplosione di una nova ad esempio o il passaggio di un braccio della galassia) che fa oscillare l’ago della bilancia dalla parte del collasso. Dato che le nubi di polvere interstellare sono varie migliaia di volte più pesanti del sole, l’innesco crea non una ma molte protostelle (stelle bebè), che nascono dunque per grappoli, frammentando la nube primitiva.
La contrazione fa aumentare la pressione al centro della protostella. Sappiamo dal liceo che aumentare la pressione di un gaz fa aumentare la sua temperatura. La contrazione continua fino a quando la temperatura al centro della protostella raggiunge il limite necessario alla fusione nucleare (circa otto milioni di gradi). A quel punto l’idrogeno comincia a trasformarsi in elio e la spinta verso l’esterno (la tendenza a esplodere) compensa la gravità
[2]. La stella produce grandi quantità di energia e comincia a brillare fortemente
[3]. Sono passati trenta milioni di anni dall’inizio della contrazione.
L’intero di una stella è caratterizzato da una catena di reazioni che dipende dalla temperatura raggiunta. Maggiore è il peso di una stella maggiore sarà la tendenza al collasso e maggiore la temperatura necessaria a controbilanciare, grazie alle reazioni termonucleari.
Alte temperature sviluppano elementi sempre più pesanti, dall’elio (nelle stelle come il sole) al ferro, l’elemento in assoluto più stabile dell’universo.
Elementi più pesanti del ferro esistono ma non sono creati nel cuore delle stelle. Hanno origini diverse e sono meno comuni.
Quando una stella ha finito la sua fase di gestazione è caratterizzata in sostanza da due parametri: la temperatura e la luminosità. Solitamente può essere rappresentata su di un diagramma detto di Herzprung-Russell (HR). Nella figura qui sotto potete vedere il diagramma. Noterete che quasi tutte le stelle sono situate su di un fascio, la sequenza principale. Maggiore è la temperatura, maggiore è la luminosità.
Stelle molto pesanti hanno una vita più breve di stelle leggere. Bruciano infatti a temperature elevate e molto rapidamente il proprio combustibile
[4]. Inoltre le stelle migrano durante la propria vita lungo percorsi caratteristici che attraversano il fascio del diagramma HR. I diversi percorsi sono una sorta di firma della stella, ne mostrano l’unicità e indicano la sua composizione, e la sua massa.
Quando il combustibile è terminato si compie il dramma: la stella non è più in grado di compensare il proprio collasso. Il calore prodotto è enorme e si propaga verso l’esterno spingendo e bruciando l’esterno della stella. Mentre il nucleo continua a contrarsi la stella aumenta drasticamente di raggio diventando una gigante rossa.
All’intero del nucleo la contrazione continua innescando reazioni termonucleari sempre più complesse e sempre meno efficaci nella compensazione. Una volta che il nucleo è puro ferro nessuna reazione può avere luogo. La contrazione invece continua.
Tre scenari sono a questo punto possibili. Se la massa del nucleo della stella è inferiore a 1.2-1.4 volte la massa del sole la contrazione prosegue fino a quando gli elettroni, particelle che in virtù del principio di esclusione di Pauli non possono occupare lo stesso spazio, spingono verso l’esterno, compensando la contrazione. Si forma una nana bianca, una stella che vivrà per sempre (o quasi, otto miliardi di anni).
Se il nucleo della stella ha una massa inferiore a 2.2 volte quella del sole gli elettroni collassano sui protoni formando dei neutroni e dei neutrini. I neutrini sfuggono alla stella e il nucleo di neutroni diventa una stella a neutroni, oggetto con una massa vicina a quella solare e un raggio di dieci chilometri, dunque una densità di 1017 Kg/m3. Non vi è più alcuna struttura atomica a queste densità. Si tratta piuttosto di un gas di neutroni, la cui pressione compensa la contrazione gravitazionale.
All ‘esterno della stella avviene un fenomeno detto supernovae II. Le supernovae II sono stelle di massa superiore al sole che dopo la fase di gigante rossa esplodono lanciando intorno a se enormi quantità di materiale. E’ il collasso del nucleo durante la formazione di una stella a neutroni che libera energie enormi innescando l’esplosione.
Non vanno confuse con le supernovae I che sono invece dovute a sistemi binari (una nana bianca che mangia materiale ad una stellla normale). Se questo è argomento di interesse posso scrivere un articoletto apposito.
Se la massa del nucleo è eccessiva nemmeno il gas di neutroni è sufficiente a compensare il collasso. La stella non smette più di compattarsi. La densità cresce fino a diventare infinita e strappa il tessuto dello spazio tempo nel proprio centro; attorno si forma una zona di massa enorme che precipita verso il buco centrale. Nemmeno la luce può sfuggire a un simile mostro. La stella è diventata un buco nero.
[1] Notazione scientifica: il numero in apice indica il numero di zeri dopo l’uno. Se preceduto da un segno meno indica 0.00000…1 con un numero di zeri dopo la virgola pari al numero in apice.
[2] Da notare che esistono dei limiti di massa per le stelle. Masse superiori a 60 volte (alcuni libri riportano 120) quella del sole non danno origine a stelle per ragioni di pressione che “soffia via” del materiale. Masse inferiori a 0.08 (0,07) volte il sole sono troppo piccole per innescare reazioni termonucleari. Questi oggetti continuano a contrarsi e restano invisibili. Sono detti nane brune.
[3] Anche le protostelle emettono luce, pur non essendo sede di reazioni termonucleari, a causa del calore emesso durante la contrazione.
[4] Stellle come il sole vivono sette miliardi di anni, mentre stelle quindici volte più pesanti sfumano in un soffio di appena dieci milioni di anni.
tm
Commenti
Ave cavaliere. So di essere imbranato ma ho di nuovo problemi di impaginazione. Non riesco a allineare la citazione a destra e continuano a crearsi spazi all'interno dell'articolo senza che io li abbia inseriti.
Puoi risolvere?
ave, ave. In nottata provvedo, domattina trovi tutto sistemato.
complimenti, è molto interessante e ben spiegato.
Il fenomeno dei buchi neri mi ha sempre impressionato, non so perché, sono così mostruosi e poi non riesco a immaginarmi una densità infinita. "Strappa il tessuto dello spazio tempo" al centro: questo non lo capisco, cos'é il tessuto dello spazio tempo?
E' stato lo staff, ci tengo a dirlo, non io. Ringrazia l'impaginatore misterioso.
Grazie staff!
Franco, alle tre si dorme!
Il tessuto dello spazio tempo: la fisica contemporanea immagina il tempo e lo spazio come inscindibili (vedi http://www.lankelot.eu/?p=98). Immaginali come una tovagliam stesaa al vento, localmente piatta, globalmente non per forza, può essere leggermente bombata in un senso o nell'altro.
Una stella o un pianeta con una gravità elevata creano una vallata nella tovaglia, una zona localmente simile a un burrone. Se un corpo si avvicine al burrone "rotolando" sulla tovaglia può cascarci dentro (cade sul pianeta) oppure se è molto veloce comincia a girarci attorno.
Un buco nero è un burrone scavato con tale profondità e violenza da strappare il tessuto. Al centro del buco nero non ci sono spazio ne tempo. Nelle immediate vicinanze la deformazione è tale da rendere spazio e tempo indescrivibili.
Se è argomento di interesse, meriterebbe un articoletto separato.
Tu chiedi, io provvedo.
grazie, ottima spiegazione. Un articoletto separato, dici? Ben venga!