VITA E MORTE DELLE STELLE

1. VITA E MORTE DELLE STELLE Dario Pighin e Luca Funari

2. Cos’è una stella? • Come nasce una stella? • Come vive (e come funziona)? • Come si conclude la sua esistenza? …una stella è..

3. La stella è una sfera di plasma, cioè di gas ionizzato perché molto caldo, che brilla di luce propria, nel senso che emette radiazione grazie ad un processo interno che produce energia Possiamo aggiungere che il volume di queste sfere è più o meno stabile, grazie all’equilibrio tra la forza di gravità e la pressione generata nel cuore della stella dal processo di produzione di energia.

4. Circa un miliardo di anni dopo il Big Bang condensano grosse nubi più o meno sferiche che costituiranno le future galassie.. …più localmente si formano delle zone a maggiore densità come la nebulosa di Orione ….. Contraendosi, queste grandi nubi si riscaldano, cominciando ad emettere luce visibile, e soprattutto infrarossa

5. All’origine, quindi, abbiamo una nebulosa primordiale, fredda (pochi gradi Kelvin), fatta di gas e polveri…si può stabilire se essa si contrae in base all’equazione… dP/dr=-G (Mr/r2) Dove la massa e la densità favoriscono la contrazione mentre il gradiente di pressione vi si oppone… …la contrazione di una nebulosa può avvenire anche come effetto di un’esplosione di una supernova

6. Su scala ancora più piccola e condensata, si formano oggetti opachi, molto compatti. Sono masse scure, chiamate globuli di Bok (che li scoprì nel 1940), in cui la materia si è condensata fino a risultare opaca alla radiazione: sono luoghi in cui possono formarsi nuove stelle. (Contengono una massa pari a 10-50 volte quella del Sole ed hanno un diametro di circa un anno luce.)

7. Se la contrazione procede, nelle zone più dense il gas si surriscalda e comincia ad emettere radiazione: la nube comincia ad “accendersi”. Come avviene ciò? finché le singole particelle di materia sono in caduta libera e accelerano senza urtarsi tra loro e trasformare in calore le proprie energie cinetiche, vuol dire che non esiste nessun genere di equilibro alla gravità. Ci accorgiamo invece che c’è equilibrio allorché l’oggetto centrale comincia a risplendere, perché l’energia cinetica delle particelle che si scontrano si trasforma in calore e, in base a una legge fisica, un corpo caldo emette radiazione È nelle zone dense, e cioè nei globuli, che la temperatura può raggiungere valori così alti che succede qualcosa di nuovo. Si accende radiazione intensa da sorgenti puntiformi: le stelle!

8. ..si può parlare di stella accesa solo quando sono cominciati i processi di fusione nucleare all’interno del nucleo, che consentono alla stella di brillare per miliardi di anni. Inoltre il calore prodotto da essi genera una forza centrifuga che si oppone a quella centripeta della forza gravitazionale. N.B. Riescono ad accendersi solo quelle stelle che hanno massa superiore a 8 centesimi di quella solare e che quindi, grazie alla contrazione gravitazionale, riescono raggiungere all’interno una temperatura di 10 mln di gradi… Esaminiamo ora i processi di fusione nucleare…

9. Ricordiamoci che l’elemento di gran lunga più abbondante del gas stellare è l’idrogeno, il cui atomo è composto da un protone e da un elettrone. Al crescere della temperatura, gli elettroni non sono più trattenuti dai protoni, e le collisioni tra i protoni (relativamente frequenti per l’alta densità) si fanno sempre più violente. Finché… i protoni riescono a superare la barriera repulsiva delle loro cariche elettriche, e a unirsi per formare un nucleo più complesso: è la fusione nucleare. Quattro protoni (nuclei di idrogeno) formano un nucleo di elio (He). Il prodotto (He) pesa meno di 4 protoni: manca un po’ di massa, che va in energia di radiazione: E = mc2 pochissima massa => moltissima energia!

10. Esaminiamo in dettaglio la reazione protone-protone, anche se nelle stelle più grandi può avvenire il ciclo carbonio-azoto-ossigeno (bruciano anche più velocemente): 1. Due nuclei di idrogeno (protoni) formano un nucleo di Deuterio, liberando un positrone e un neutrino 2. Un nucleo di deuterio collide con un protone e forma un isotopo di elio con un solo neutrone (Elio 3), con emissione di radiazione gamma 3. Due nuclei di He-3 collidono e formano un nucleo di He-4. Esiste anche il ciclo del carbonioazoto, in cui lo stesso risultato di trasformazione di idrogeno a elio si ottiene con la presenza di questi altri due elementi più pesanti che hanno una funzione di catalizzatori della reazione. Questo ciclo ovviamente ha luogo solo nelle stelle in cui carbonio e azoto sono già presenti

11. Quindi…una stella è una sfera di gas il cui volume è mantenuto in equilibrio tra l’attrazione gravitazionale che tende a far precipitare la stella verso il centro, e la pressione verso l’esterno causata da un’esplosione permanente: la reazione di fusione nucleare nel cuore della stella. La fusione nucleare ha un’altissima efficienza e garantisce la vita di una stella per miliardi di anni. Alla fine anche questa reazione, che consuma idrogeno e produce elio, si esaurisce, quando nel nucleo c’è troppo elio e poco idrogeno. Fine dell’equilibrio, succedono eventi nuovi, anche violenti!

12. Il comportamento di una stella dipende in massima parte dalla sua massa. Proprio in base ad essa si dispongono nel diagramma Herzsprung-Russel: Ogni zona indica un certo tipo di stelle. La striscia maggiore è la SEQUENZA PRINCIPALE. Contiene le stelle nel loro periodo di vita “normale”, durante il quale avviene la fusione dell’idrogeno. È anche il periodo di vita di gran lunga maggiore

13. Esaminiamo ora in particolare come si comportano i vari tipi di stelle in sequenza principale… Una nanna rossa con massa 1/5 del sole brucia l’idrogeno in decine di miliardi di anni e, quando gran parte dell’idrogeno nel nucleo si è trasformato in elio, si trasforma in nana bianca.

14. Se la massa è da 0.2 a 0.5 masse solari, alla fine dell’evoluzione, quando al centro c’è ormai solo elio, la stella riesce a far bruciare un guscio di H intorno al nucleo. Questa reazione più periferica preme il gas sovrastante verso l’esterno e la stella si gonfia fino a migliaia di volte. L’espansione provoca un aumento della superficie radiante e quindi della luminosità. Provoca anche un raffreddamento della superficie e quindi un arrossamento della luce: la stella si trasforma in una gigante rossa. La parte interna al guscio non partecipa all’espansione …

15. Che succederà al Sole e a stelle di massa simile quando finirà l’idrogeno al centro? Mentre brucia il guscio di idrogeno, per la maggiore massa della stella il nucleo di elio si comprime e si scalda fino a 100 milioni di gradi! Si accende l’elio con un flash di fusione nucleare che produce carbonio e ossigeno. Il Sole diventa una Gigante Rossa con espansione più marcata di quella di stelle minori, e ingloberà anche i pianeti vicini, forse anche la Terra L’epilogo di queste giganti rosse: l’involucro si spande sempre più, formando la “nebulosa planetaria”, fino a perdersi nello spazio, spargendovi i nuovi elementi chimici creati dalla stella. Al centro resta il residuo ancora caldo: la Nana Bianca Che succede alle stelle ancora più massicce ?

16. In una stella di massa maggiore la gravità è più forte. La fusione dell’idrogeno è più rapida, perché densità e temperatura sono maggiori e quindi la vita è più breve. Sirio pesa poco più del doppio del Sole, ma è oltre 22 volte più luminosa. Questo vuol dire che l’idrogeno al centro di Sirio brucia molto più in fretta, e che relativamente presto il nucleo di Sirio sarà trasformato in elio. Grazie alla gravità di Sirio, anche l’elio, scaldandosi, raggiungerà le condizioni per la fusione, e l’elio si trasformerà in carbonio, mentre l’idrogeno continuerà la sua fusione in un guscio più esterno. Può fondere anche il carbonio? Sì… La cucina degli elementi: dalla fusione dell’idrogeno (1) nel nucleo della stella, il processo passa attraverso vari stadi di fusione nei “gusci” più esterni (2,3), fino alla creazione di elementi pesanti, incluso il ferro (4)

17. Per il Fe, la fusione è tanto difficile che l’energia prodotta è meno di quella spesa: se fonde il Fe, viene a mancare pressione al centro… …e la stella collassa su se stessa per gravità, dando luogo a una violenta esplosione: è la supernova

18. Solo l’esplosione di SN può dare energia per formare elementi più pesanti del FERRO … L’atto dell’esplosione crea tutti gli altri elementi, fino a quelli transuranici ed è l’esplosione a proiettarli nello spazio. Questi elementi andranno ad arricchire le nuove nebulose, dando talvolta il via alla compressione… Le stelle che nasceranno da queste nebulose potranno disporre di tutti gli elementi..anche quelli necessari per la vita.

19. La parte centrale della stella non partecipa all’espansione violenta: la materia, non più sorretta dalla pressione della fusione, precipita sempre più verso il centro andando a formare un oggetto di densità mostruosa (stella di neutroni) o, peggio, un buco nero… Parliamone ora più in partcolare!

20. Il progresso tecnologico degli ultimi anni è stato il fattore principale che ha permesso un grande passo avanti per l'astronomia. Lo studio delle ''alte energie'' nello spazio si concentra proprio sulla osservazione e comprensione di sorgenti che emettono onde come i raggi gamma e i raggi x. Per fare un esempio di quanto le alte energie siano recenti basti pensare ai Gamma Ray Bursts (esplosioni di raggi gamma) che sono stati scoperti nei primi anni '60 da fisici americani che pensando di monitorare gli esperimenti russi sulla bomba atomica nei cieli, scoprirono queste potentissime sorgenti luminose. Ma procediamo per gradi: la fisica delle alte energie si occupa delle stelle con massa maggiore rispetto a quella del sole (oltre il limite di Chandrasekar, 1.44 Ms) e che, arrivate alla fine della loro vita, proprio a causa della enorme quantità di materia presente nella loro composizione, si scatenano nella spaventosa potenza esplosiva delle supernovae e degenerano in oggetti tanto affascinanti, quanto, ancora per la maggior parte, incomprensibili. Le stelle con massa superiore a quella del sole aumentano di densità ma hanno anche un raggio esponenzialmente minore, come vediamo dal grafico: Quindi tutti i corpi di cui tratteremo saranno caratterizzati da un denominatore comune: massa e densità elevatissime.

21. STELLE DI NEUTRONI Il forte collasso gravitazionale fa fondere protoni ed elettroni nel plasma di neutroni di cui sono composte. Ruotano a velocità impressionanti (conservazione momento angolare). Vista dalla terra la stella di neutroni apparirà come una sorta di torcia che ruota nel buio dello spazio, poiché i due poli emettono forti onde radio con due getti opposti che ruotano insieme alla stella. Di conseguenza oggi si ritiene che le stelle classificate come ''Pulsar'', così chiamate perché emettono radiazioni periodicamente, siano nient'altro che stelle di neutroni. Le stelle di neutroni con densità maggiore vengono chiamate ''Magnetar'' e si ritiene che posseggano il campo magnetico più elevato nell'universo.

22. BUCO NERO Se la massa originale del nucleo della stella è superiore a quattro volte la massa del sole, dopo che la stella è passata per lo stadio di ‘stella di neutroni’, la contrazione gravitazionale diventa così elevata da non permettere neanche alla luce di uscire dal campo, dando origine ad una stella buia detta ‘’buco nero’’. Ciò avviene perché la velocità di fuga è maggiore di c. Da questa riflessione si ricava il raggio di Schwarzschild=2MG/c2. Quando qualsiasi cosa entra nel suo ‘’Disco di accrescimento’’ e supera l’‘’Orizzonte degli eventi’’, non può più uscirne. Gli scienziati moderni ritengono che al centro di ogni galassia si trovi un buco nero e che costituisca una parte fondamentale della struttura dell' Universo; ecco una ricostruzione del buco supermassiccio (con massa pari a milioni di volte quella del Sole) che si trova al centro della nostra: Tra gli scienziati che studiavano questi oggetti remoti, compreso Einstein, che si chiedevano dove finisse tutta la materia da loro risucchiata, si diffuse l'idea dei cosiddetti ''Wormholes'' (i buchi bianchi), che sarebbero la loro esatta controparte: una ''singolarità'' con massa infinita da cui viene emessa una quantità di materia uguale e opposta rispetto a quella inglobata dal buco nero, funzionando come una sorta di ''ponte dimensionale''.

23. Esistono diversi tipi di buchi neri e li possiamo scoprire solo se si trovano in sistemi binari di stelle perché oscurano l’altra stella quando le passano davanti. Come Cygnus X-1: Questi corpi potentissimi hanno al loro interno il più grande generatore di Energia conosciuto fino ad ora: un buco nero supermassiccio in grado di convertire ben il 50% della sua massa in energia. Infine, i buchi più massicci sono generati da supernovae con intensità ineguagliabili. Scoperti alla fine degli anni '60 e studiati a fondo solo negli ultimi venti anni, i cosiddetti Gamma Ray Bursts sono esplosioni di breve durata (da pochi secondi a venti minuti) che sprigionano quantità di energia elevatissima che ci distruggerebbe in un attimo se esplodessero anche solo a migliaia di anni luce da noi. Questo è infatti il fenomeno più energetico finora mai osservato, anche se in realtà getti di questo tipo si verificano fino a tre volte al giorno in ogni direzione dello spazio ed emettono particelle di energia a velocità relativistiche ( 99,9999% di c)! I buchi neri supermassicci possono degenerare a loro volta in Nuclei di Galassie attive o Radiogalassie.

24. NGA Le galassie attive sono caratterizzate da un'emissione di radiazioni molto elevata ad ogni lunghezza d'onda, probabilmente a causa del buco nero supermassiccio che si trova al centro di esse (con una massa che può arrivare ad essere un miliardo di volte più grande di quella del sole). RADIOGALASSIE Le radiogalassie hanno questo nome perchè pur avendo una luminosità quasi nulla, emettono segnali radio fino a un milione di volte più potenti rispetto alla nostra galassia, caratterizzate però da un altissimo Redshift, come ad esempio Cygnus A, scoperta nel '48, che si trova a un miliardo di anni luce di distanza da noi ma il disco di accrescimento del suo buco nero spazza la materia in due getti composti principalmente da Idrogeno eccitato fino a temperature elevatissime. Gli studiosi ritengono che le radiogalassie siano anch’esse composte da nuclei attivi, ma molto più potenti. NGA M87

25. THE END