vita e morte delle stelle - Liceo Scientifico Statale Vito Volterra

VITA E MORTE DELLE
STELLE
Dario Pighin e Luca Funari
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Cos’è una stella?
Come nasce una stella?
Come vive (e come funziona)?
Come si conclude la sua esistenza?
…una stella è..
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.
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
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
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.)
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!
..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…
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!
Esaminiamo in dettaglio la reazione
protone-protone, anche se nelle stelle più
grandi può avvenire il ciclo carbonioazoto-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
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!
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
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.
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 …
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 ?
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)
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
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.
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!
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.
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.
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''.
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.
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
THE END