ghisellini_grb_comp - Osservatorio Astronomico di Brera

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LE PIU’ GRANDI ESPLOSIONI DELL’UNIVERSO
GHISELLINI GABRIELE
INTRODUZIONE
La lezione di oggi riguarda le esplosioni più grandi che avvengono nell'universo.
Noi non siamo abituati a numeri, potenze ed eventi di questa portata: c'è stato un piccolo terremoto
stamattina... Quindi forse proprio oggi non è la giornata giusta per dire che viviamo in una parte di universo
essenzialmente molto, molto tranquilla… e che sulla Terra è un periodo tranquillo. Non è sempre andata
così. Negli ultimi 10.000 anni per esempio il clima è rimasto abbastanza stabile senza oscillazioni violente,
mentre prima c'erano periodo di freddo e di caldo alternati che probabilmente hanno disturbato
l'evoluzione della civiltà umana: sono 10.000 anni che il clima è stabile ed è proprio da 10.000 anni che
l'uomo ha sviluppato l'agricoltura, ha imparato a coltivare i campi e ad allevare gli animali: questo è stato
un cambiamento epocale per gente come me.
Perché?
Perché potendo coltivare i campi gli uomini hanno potuto abbandonare la vita di raccoglitori e di cacciatori
che prima impegnava ogni singolo individuo. Una mamma non poteva avere più di un figlio piccolo alla
volta perché poteva tenere in braccio un bambino e contemporaneamente andare in giro a cercare il cibo,
ma non poteva tenerne in braccio due… quindi le mamme avevano un figlio ogni circa quattro anni. Ancora
oggi ci sono alcune popolazioni che hanno questo ritmo.
Quando si è passati all'agricoltura si è finalmente riusciti a produrre un surplus di cibo per cui una certa
parte di popolazione poteva dedicarsi alla produzione del cibo e un'altra parte di popolazione poteva fare
altro, poteva specializzarsi in altre attività tipo i sacerdoti, o i re... Nacque un'organizzazione sociale con dei
lavori specializzati. Io non sono capace di coltivare la terra né di allevare animali e quindi anch'io traggo il
mio sostentamento da chi invece può coltivare e mi dà da mangiare ecc. Quindi io, come il 90% della gente
di una società moderna, non coltivo, non produco direttamente il cibo. Questo ha fatto nascere la
possibilità di studiare, di scoprire, di inventare dei piccoli oggetti tecnologici. Pensate all'importanza
dell'aratro o della ruota… Quindi noi siamo qui, ed io sono qui, proprio perché noi viviamo in una parte
tranquilla dell'universo, e in periodo speciale… quando il clima è stato abbastanza tranquillo negli ultimi
10.000 anni: questo ha permesso lo sviluppo dell'agricoltura e la suddivisione dei lavori.. Abbiamo potuto
fare anche astrofisica: non è sempre stato così nel passato. E ci sono posti nell’Universo dove neanche
adesso si e’ tranquilli… perche’ avvengono eventi esplosivi in una maniera inimmaginabile.
Il Big Bang
La madre di tutte le esplosioni è stata indubitabilmente il Big Bang.
Tutti voi sapete che cos'è il Big Bang: è successo circa 13,7 miliardi di anni fa e se ci pensate bene il fatto
che noi riusciamo a mettere una data è straordinario. In realtà il conto è abbastanza semplice: vediamo le
galassie che si allontanano le une dalle altre e quindi possiamo immaginare che una volta erano più vicine…
tanto tempo fa erano ancora più vicine… e quindi si calcola il tempo di quando erano tutte a contatto:
quello è la data di nascita del nostro universo.
Ci sono varie teorie; la più semplice di queste dice che è l'Universo ha avuto un inizio, che immaginiamo di
solito come l’inizio di tutte le cose che sono contenute nell'Universo. Però mentalmente che cosa ci viene in
mente quando diciamo “cose”? Ci vengono in mente le galassie, le stelle, la materia... e mentalmente credo
viene immediato pensare all'esplosione come una bomba che scoppia dentro uno scatolone che contiene lo
spazio. Lo spazio c'era già e tutte le galassie con tutta la materia si espandono in esso: però non è andata
così.
Quando si dice che l'Universo ha avuto un inizio vuol dire che da lì vengono tutte le cose e si includono
anche due cose speciali, due categorie fondamentali, più importanti ancora della materia: sono lo spazio e
il tempo. Lo spazio è nato; il tempo è nato; il tempo ha avuto un inizio, e quindi dire per esempio “che cosa
c'era prima del Big Bang?” e’ strano… Se ci pensate “prima” è un avverbio di tempo: presuppone che il
tempo c'è dopo e c'è prima: ma se prima non c'era tempo come faccio a dire prima? Non si può!
Non so se lo sapete ma c'è un aneddoto molto conosciuto riferito a Sant'Agostino quindi risale a parecchi
secoli fa. Un fedele - l'aneddoto recita così - va da Sant'Agostino e chiede: “ma senti, Agostino, cosa faceva
Dio prima di fare l'universo?” Agostino lo guarda con una faccia cattiva.. e risponde: “Stava pensando di
creare l'inferno per le persone che fanno domande come queste…” Quindi aveva capito che anche il tempo
doveva essere stato creato da Dio. Nella sua fede (Sant'Agostino ovviamente era cattolico) il tempo aveva
avuto un inizio. Oggi sappiamo che e’ iniziato 13, 7 miliardi di anni fa.
Noi immaginiamo così il Big Bang (slide), ma è una rappresentazione assolutamente pittorica… Noi
riusciamo a descrivere bene quello che è successo (e anche questo ha dell’incredibile) da qualche
millisecondo dopo la nascita, il tempo zero, il tempo del Big Bang. Non sappiamo pero’ descrivere bene
quello che è successo nel tempo zero, proprio nell'istante iniziale. Questo per una mancanza fondamentale
nostra, perché nel tempo zero avete sicuramente una grande concentrazione in uno spazio piccolissimo.
Quindi avete una gravità fortissima perché è tutto concentrato lì, in uno spazio piccolissimo: sapete che le
cose molto piccole sono descritte dalla meccanica quantistica; le cose che invece sono concentrazioni di
massa molto grande sono descritte dalla relatività generale. Le due teorie-pilastro del XX° secolo e
probabilmente del XXI° secolo non si parlano: quindi noi non siamo capaci di descrivere gravità ultra forti
in spazi ultra piccoli. Il Big Bang ha queste due caratteristiche e quindi noi non possiamo, non abbiamo
elementi, non abbiamo la teoria per descrivere l'istante zero. Però da 1 millisecondo dopo il Big Bang si
può, non abbiamo problemi…
Quanto sono vecchi i nostri protoni?
Secondo quest'idea del Big Bang, quando tutto era concentrato in uno spazio più piccolo succedeva quello
che succede quando voi comprimete l'aria per gonfiare la bicicletta: quando pompate l’aria la pompa si
scalda: quindi quando tutto era molto compresso era anche molto caldo. Ad un centesimo di secondo dopo
il tempo zero la temperatura era circa 100 miliardi di gradi: una temperatura assolutamente infernale. In
quegli istanti (un centesimo di secondo dall'inizio), si formano le prime particelle: i quark si mettono
insieme e formano i protoni (i protoni sono fatti da tre quark), i neutroni, gli elettroni e i neutrini. Visto che
il protone è il nucleo dell'elemento piu’ semplice che abbiamo oggigiorno (l'idrogeno) sappiamo che tutto
l’idrogeno si è formato allora: un centesimo di secondo dal tempo zero. L'idrogeno che abbiamo adesso
(tutto l’idrogeno) ha 13,7 miliardi di anni. Poi nei 3 minuti successivi si forma l'altro elemento più semplice
dopo l'idrogeno che è l’elio. Il nucleo dell’elio è formato da due protoni e due neutroni. In quei primi 3
minuti c'erano le condizioni ottimali - dopo non ci saranno più - per formare l'elio. Circa il 25%
dell’idrogeno si trasforma in elio e la temperatura corrispondente è già scesa - per modo di dire - a un
miliardo di gradi; era 100 miliardi prima e in 3 minuti va un miliardo. Poi l’Universo si raffredda troppo e
non si riescono più a formare gli altri elementi. Conclusione: durante il Big Bang si formano l'idrogeno e
l'elio, e basta.
La radiazione di fondo: fossile del Big Bang
Possiamo avere un'idea di quello che è successo attraverso una specie di testimone di quei periodi
primordiali. Dovete pensare che questa grande concentrazione di cose caldissime si accompagnava alla
produzione di una grande quantità di luce. Anche questa luce era molto energetica e aveva la stessa
temperatura della materia: c’era il famoso “brodo primordiale” di materia e radiazione. All’inizio tutte e
due molto calde, però man mano che il tempo passa sia la materia sia la radiazione si raffreddano. La
radiazione per un po' di tempo (per circa 300.000 anni) ogni tanto sbatte contro un elettrone, ma da
quando l'Universo ha 300.000 anni in poi gli elettroni sono troppo radi e i fotoni sono liberi di viaggiare
indisturbati. Adesso, con i radiotelescopi, riusciamo a vedere questa radiazione fossile di quel periodo: e’
ormai “freddina” (rispetto alla temperatura dello zero assoluto è 2,7° in più) e questo è dovuto al fatto che
l'Universo espandendosi si è mano a mano raffreddato. In ogni centimetro cubo (anche qui, in questa
stanza) potete trovare circa 400 quanti di luce, fotoni, che appartengono al Big Bang, che sono stati fatti
allora… Mica pochi: 400 fotoni di questo tipo in ogni centimetro cubo… Questa radiazione permea l'intero
Universo.
Potete pensare che se l'Universo allora fosse stato assolutamente omogeneo, senza nessuna deviazione da
una densità media costante entro 10.000 cifre decimali, allora si sarebbe espanso mantenendo questa
omogeneità e non ci sarebbe stata la possibilità di formare dei grumi. Invece noi viviamo in un sistema
solare, abbiamo lo nostra stella, le stelle si mettono insieme formando le galassie… quindi noi non siamo
atomi sparpagliati.. Siamo fatti di atomi “raggrumati”, quindi in realtà un qualche grumo ci deve essere
stato anche all'inizio. Dove c'erano i grumi la radiazione era un po' più calda. In questa mappa la parte
corrispondente ai grumi sono queste macchie. I colori sono esasperati al computer, non sono reali. La
differenza di temperatura fra questo e questo è di qualche parte per milione: questo è 2,700000 gradi,
quest’altro è 2,700001 gradi: la differenza è molto piccola. Infatti ci abbiamo messo tanto a scoprire queste
piccole perturbazioni. Però se non le avessimo trovate tutta la teoria del Big Bang sarebbe caduta perché ci
sarebbe stata una contraddizione fondamentale, i grumi dovevano esserci sennò come facciamo ad esistere
noi? E infatti ne abbiamo trovati nelle giuste quantità. Questi sono i semi delle future galassie.
Questa invece è un'immagine non reale ma ricreata con simulazione al computer. Abbiamo l’ Universo che
intanto si espande, ma dove ci sono i grumi c’è un po' più di gravità di dove non ci sono i grumi.
Domanda - Ma questi grumi si sono formati a caso, con casualità? Come il pulviscolo che crea le
condensazione in grumi?
Risposta - Più casuale di così, perché lì c'è qualche ragione per avere più pulviscolo da una parte che da
un'altra. Qui invece no: deve essere assolutamente casuale, per quanto noi possiamo credere e constatare
attraverso l'osservazione che abbiamo. Dove ci sono i grumi, i grumi tendono ad attrarre materia: la lotta
tra l'espansione che fa diluire la materia e la forza di gravità che tende a raggrupparla forma questi
filamenti. Una zona dove il grumo era particolarmente denso è un polo di attrazione per la materia che può
cadere dentro; attraverso questi grumi si formano nell'Universo una quantità di galassie. Quelle che noi
possiamo vedere sono circa 100 miliardi.
100 miliardi è un numero che ritorna in vari contesti: 100 miliardi è il numero (più o meno) di stelle nella
nostra galassia, 100 miliardi è il numero di neuroni dentro la testa di ognuno di noi, quando siamo giovani…
I neuroni cominciano a morire prima che noi nasciamo, sono fatti in sovrabbondanza per permettere ai
neuroni che vengono usati di sopravvivere, mentre quelli che non vengono usati non servono e quindi
muoiono. Per questo è meglio mettere il sonaglino nelle culle dei bambini: stimola i loro sensi e stimola i
neuroni… Ma troppi neuroni in realtà possono fare cortocircuito..: ogni tanto è meglio dimenticare.
Le galassie
Le galassie che si formano sono di questi tipi, ce ne sono come la nostra di forma a spirale (come delle
girandole), e peculiari come questa che vedete, che è una galassia ellittica ma con una banda di polveri che
ne oscura una parte alla nostra vista lungo l'equatore, e irregolari che hanno una forma ancora più strana.
Un'altra forma comune è la forma ellittica. Quindi le galassie non sono tutte uguali, ma vengono fatte in
maniera diversa: uno dei campi di ricerca odierna è andare a scoprire perché: perché una galassia decide di
diventare una spirale e un'altra ellittica? E’ per esempio dovuto ad uno scontro? Pensate a due galassie
spirali che si scontrano: magari il risultato di questo scontro è perdere le ali e mantenere il centro: quello
che vedreste dopo lo scontro sarebbe una galassia ellittica. Sapete che Andromeda si sta avvicinando a noi.
Ci sarà un duro scontro tra la nostra Via Lattea e la galassia di Andromeda e gli astronomi allora potranno
studiare l'esperimento dal vivo (se riescono a vivere abbastanza a lungo).
La nostra galassia, la Via Lattea, è una galassia a spirale. Il nostro sistema solare occupa una parte del tutto
irrilevante: non è neanche in un braccio principale della galassia. Siamo vicino al braccio di Orione, a circa 8
kpc dal centro. Noi misuriamo le distanze in maniera strana: l'unità di misura e` il parsec, che equivale a
3,08 anni luce. Questo perché le distanze sono in astronomia sono… astronomiche! E non possiamo
misurare le distanze in chilometri, senno’ non si finisce più… La dimensione da un capo all'altro della Via
Lattea, il suo diametro, è di 100.000 a.l. e il rigonfiamento centrale è al massimo circa 1000 a.l. e quindi
questo è 100.000, lo spessore al massimo è 1000. Quindi più o meno dovete immaginarvi un vecchio LP
oppure un CD: le galassie a spirale sono proprio dei dischi.
Il sole è distante circa otto migliaia di parsec dal centro (quindi circa 24.000 anni luce): siamo qui e non
occupiamo nessuna posizione particolare. Questo è stato un colpo al principio antropocentrico che ogni
tanto risorge nelle nostre culture. Ma noi non siamo niente di speciale.
Domanda - E come facciamo a sapere se una galassia è ellittica o se è circolare vista un po' di striscio?
Risposta - Una galassia ellittica vista di fronte è circolare. Sembra una sfera: quindi non sappiamo.
Domanda - quindi non sappiamo se una galassia è veramente ellittica o è una galassia circolare vista di
sbieco?
Risposta - Per semplificare immaginiamo che tutte galassie ellittiche siano delle uova. Allora può calcolare
quante, visto che la loro disposizione sara’ a caso nel cielo, quante se ne aspetta perfettamente circolari.
Se il numero di quelle viste combacia esattamente con quello che lei si aspetta dice “beh allora per queste
ho una grossa prova che non sono veramente sferiche ma sono solo dei sigaroni che io vedo per il lungo, le
uova in questa direzione”
D -Potrebbero essere dei dischi piatti?
R – Si’, soprattutto se si formano come delle spirali. A seconda del tempo di formazione potrebbero
cambiare la loro morfologia e quindi avere tutte le forme. Però se la fusione e’ recente si aspetta di vedere
dei resti, delle stelle che rimangono… Per esempio stelle che sono state “sparate” via. Ci sono degli esempi
in cui quest'effetto produce una fotografia meravigliosa. Nelle galassie chiamate “Antenne” le stelle espulse
disegnano due “baffi” enormi che sembrano proprio delle antenne che si propagano nel cielo.
Il nostro Sole
Il Sole è abbastanza tranquillo, però ogni tanto fa delle eruzioni, ogni tanto libera delle quantità di energia
più grandi della media in zone localizzate. Proprio adesso sta succedendo una delle esplosioni più grandi del
solito. Stiamo andando verso il massimo del ciclo solare che dura 11 anni e sembra che l’esplosione di
adesso sia la più grande dal 2005. Sta durando da qualche giorno: durante queste esplosioni vengono
emanati nello spazio particelle, cioe’ elettroni, protoni, nuclei di idrogeno e così via che ci mettono un certo
tempo a viaggiare - ad un migliaio / 2000 km al secondo - e impiegano 2/3 giorni ad arrivare sulla Terra.
Quando arrivano possono provocare dei disturbi alle comunicazioni se l’esplosione è grande, ma
soprattutto provocano dei fenomeni bellissimi: le aurore boreali o australi. Sono fenomeni di luminescenza
dovuti a queste particelle che interagiscono con l'atmosfera. Succedono ai poli, Nord e Sud, quindi sono
visibili da regioni vicine ai poli: Finlandia Norvegia eccetera… perché le particelle cariche sono convogliate là
dal campo magnetico. Il campo magnetico della Terra parte da un polo e arriva fino all'altro.
Per essere quello che è e per produrre luce e calore nella quantità che noi vediamo, che noi misuriamo, il
Sole deve convertire in energia una massa di 2 milioni di tonnellate ogni secondo. Usiamo la formula
E=mc2, la massa m è 2 milioni di tonnellate. Moltiplico questa per la velocità della luce al quadrato e
ottengo l’energia che ogni secondo il Sole deve produrre… non si scherza per niente: 2 milioni di tonnellate
convertite in energia. Sapete che il meccanismo che è stato trovato (mica tanto tempo fa: circa negli anni
’50) sono le fusioni nucleari. In pratica, nuclei di idrogeno si scontrano e formano come prodotto finale
l’elio; in questi scontri si libera una grande quantità di energia. Fate la prova: prendete 4 protoni e li pesate.
Poi prendete un nucleo di elio e lo pesate. Vedete che il nucleo di elio pesa un po' di meno di 4 protoni: la
differenza è andata in energia, la massa si è convertita in energia: è questo che fa funzionare il Sole.
Il Sole funziona così da circa 5 miliardi di anni e si prevede che continuerà a funzionare per altri 5 miliardi di
anni: è il tempo che ci vuole per convertire quasi tutto l'idrogeno del nucleo in elio, e nel nucleo abbiamo
circa un 10% dalla massa del Sole.
E dopo?
Quello che succede è che le reazioni finiscono perche’ finisce il combustibile, e finisce la creazione di moti
che contrastano la gravità. Quindi il nucleo tende a contrarsi e la gravità in quel caso vince; ma
contraendosi si scalda (come la pompa della bicicletta) e questo calore extra che avete dalla contrazione fa
espandere gli strati esterni. Il Sole quindi diventera’ sempre più grande. Il Sole nel suo complesso – cioe’
compresi gli strati esterni – diventera’ sempre più grande fino ad arrivare più o meno all'orbita di Marte, o
tra l'orbita della Terra e l'orbita di Marte. Certi dicono che si fermerà ad un pelo dalla Terra, ma questo e’
poco importante: saremo comunque vaporizzati.
Questo è il Sole includendo gli strati esterni. Ma invece il nucleo del Sole che cosa fa?
Aspettate! qui ci sono delle fotografie di questi strati superficiali che vengono buttati via cioè espulsi dalla
stella, formando degli oggetti che si chiamano nebulose planetarie. Sono tra gli oggetti più belli che potete
vedere nel cielo. Stelle dalla massa più o meno come il Sole alla fine della loro vita espellono i loro gas
esterni che vengono illuminati da quella cosina che rimane nel centro. Quella cosina che rimane nel centro
e che contiene quasi tutta la massa della stella è il nucleo che è rimasto, è molto bianco perché molto caldo
e ha un raggio che è paragonabile a quello della Terra, facciamo all’incirca 10.000 km. Sapete che la Terra è
circa 13.000 km di diametro (la definizione originaria del metro era un quaranta-milionesimo dell' equatore). In questi 10.000 km, cioè in un oggetto che è più o meno come la Terra, trovate il 70% della massa
originaria della stella (il resto è stato buttata via). Sapete che il raggio del Sole adesso è 700.000 km. Se si
contrae fino ad arrivare a 10.000 km il suo raggio è sceso di 70 volte. Quindi la massa di un cucchiaino
(cioe’ di 1 cm³) di una nana bianca e’ di 1 tonnellata! All'inizio la temperatura, cresciuta per la contrazione,
è 100.000 gradi. Però non c'è più nessun motore che produce energia, la nana bianca è calda solo perché si
è contratta. Quindi pian piano si raffredda diventando prima una nana bruna e poi una nana nera (nera vuol
dire che non emette più luce, perche’ troppo fredda).
Quanto siamo vecchi?
Abbiamo detto che il Sole funziona perché converte l’idrogeno in elio… Pero’ di elio non è che ce ne sia
bisogno: la maggior parte l’ha fatto il Big Bang (il 25%), ne abbiamo già tanto. Noi siamo fatti di altro;
abbiamo sulla terra 92 elementi, il corpo umano per essere costruito deve avere una grande
diversificazione di elementi che il Sole non fa. Che il Big Bang non fa. E quindi chi li fa?
Prendiamo noi per esempio. Questa è la classifica degli elementi in peso del corpo umano; noi siamo fatti
per due terzi d'acqua; l’acqua è H2O però l'idrogeno ha un protoncino solo. Per ogni due atomi di idrogeno
ci dev'essere un atomo di ossigeno (che ha 8 protoni e 8 neutroni) e quindi al primo posto della classifica
abbiamo l'ossigeno. Una persona di 100 chili ha 65 chili di ossigeno. Uno si aspetta di vedere al secondo
posto l’idrogeno… invece no, c’e’ il carbonio; il carbonio per una persona che pesa 100 chili rende conto di
18 chili. Il carbonio è necessario per la vita, il carbonio ha una particolarità.
L’atomo è fatto dal nucleo (protoni e neutroni) e dagli elettroni esterni che riempiono gusci che si chiamano
orbitali; a seconda del numero degli elettroni negli orbitali più esterni abbiamo le varie caratteristiche
chimiche dei vari elementi. Un atomo che ha un elettrone solo - poverino - è facile che lo ceda. A chi? A chi
invece nell'ultimo orbitale ha tutti gli elettroni meno uno. Quindi è facile che questi due elementi si leghino
tra di loro e facciano una comproprietà di questo elettrone. Per il carbonio è lo stesso cedere o ricevere gli
elettroni piu’ esterni. Quindi li può dare e li può ricevere… è un compagno ideale che si lega con gli altri
elementi in una maniera molto facile.
La vita, per potersi sviluppare - se ci pensate un attimo - ha bisogno di trasmettere un sacco di informazioni
(per esempio per potersi riprodurre) e queste informazioni devono avere un supporto per essere incise e
riprodotte. Per far nascere la vita bisogna avere delle molecole non molto semplici ma un po' complicate
(lunghe) con tanti atomi. Quindi il carbonio che si lega cosi’ facilmente con gli altri elementi diventa
prezioso per formare delle catene lunghe, per formare delle molecole lunghe. Per questo il carbonio è
essenziale per la nascita della vita e infatti ne ritroviamo qui il 18%.
Anche l'acqua liquida è essenziale perché e’ un grandissimo solvente: le sostanze si sciolgono in acqua, e
aumenta la probabilità che vari elementi si combinino. E’ per questo che si cercano pianeti dove può
esistere l'acqua liquida. Sarebbe il primo passo, la prima condizione necessaria (anche se non sufficiente)
per la nascita di molecole complesse che a loro volta sono necessarie per codificare delle informazioni che a
loro volta sono necessarie per la nascita di cose che possono riprodurre se stesse: cioè la vita.
Al terzo posto finalmente troviamo l'idrogeno, al quarto l’azoto, al quinto il calcio (1,5 kg), al sesto il
fosforo. Questi elementi fanno il 99% del nostro peso. Poi troviamo traccia di tutti gli altri: potassio, zolfo,
cloro, sodio… che tutti insieme fanno l'1%, quindi circa un chilo.
L'idrogeno non è un problema: tutto l’idrogeno è stato fatto 13,7 miliardi di anni fa. Di elio nel nostro corpo
ce n’è molto poco. Quindi la domanda è: le stelle come il sole bruciano idrogeno e fanno l’elio ma si
fermano lì. Il Sole non ha fatto gli elementi che ci sono sulla Terra. Sulla Terra gli elementi non si fanno.
(solo adesso con i super acceleratori potete fare degli elementi transuranici per brevissimi istanti). Il Big
Bang non li ha fatti. Quindi chi li ha fatti?
Stelle piu’ grandi del Sole
Prendiamo un'altra stella, non come il Sole ma molto più grande. Prendiamo Zeta Puppis che è una super
gigante blu che dista da noi circa 1000 a.l. e ha una massa che è 50 quante volte quella del Sole, una
luminosità che è 60.000 volte quella del Sole (le stelle più grosse vivono molto più pericolosamente delle
stelle più piccole e consumano in meno tempo il loro combustibile); il raggio è circa 20 volte quello del Sole,
la temperatura è più grande: 42.000 gradi contro i 5700 gradi del Sole. Vive da 4 milioni di anni e vivrà per
altri 2, in totale 6 milioni di anni mentre il Sole ha una vita di 10 miliardi di anni. Zeta Puppis vive circa un
fattore 1000 meno: infatti piu’ una stella e’ grande e meno vive.
Cosa succede all'interno di queste stelle?
Succede che la densità e le temperature di questi stelloni di grande massa sono molto più grandi di quelli
del Sole quindi quando avete finito tutto l'idrogeno nel centro e lo avete trasformato in elio ci sono le
condizioni (grande temperatura e grande densità) per far scontrare l’elio e fare il carbonio; poi il carbonio si
può scontrare con un nucleo di elio. I due nuclei si fondono e fanno l'ossigeno, poi il neon, poi il carbonio e
poi finalmente avete l’elio e poi l’idrogeno primordiale che non è stato ancora bruciato. Vedete come il
bruciamento sia “a cipolla”: ogni strato brucia il suo combustibile e nel fare ciò si sintetizzano gli elementi.
All'inizio avevo solo l'idrogeno e l’elio. Dopo un po' - queste stelle non durano mica tanto: “solo” qualche
milione di anni, che è niente sulla scala astronomica - avete la formazione di elementi più pesanti dell’elio,
ma solo fino al ferro; elementi più pesanti del ferro non si possono fare in questa maniera perché il ferro è
una brutta bestia e per bruciare il ferro - anche se è una contraddizione in termini - io devo fornire
dell'energia. Se io tento di unire i protoni (i nuclei dell’idrogeno) spendo sì dell'energia per farli scontrare,
ma una volta che l'ho fatto l'energia rilasciata è molto superiore rispetto a quella che ho speso. Se invece
prendo il ferro e provo a farlo scontrare con qualunque altro elemento, ho un bilancio in passivo. Le
reazioni magari succedono ma assorbono energia, e raffreddano l'ambiente circostante. Quando arrivate
ad avere un nucleo di ferro avete finito il combustibile. Quindi cosa succede?
Fino a quel momento (in cui combustibile c'era), l’energia rilasciata produceva una agitazione termica che
produceva una pressione. Questa sosteneva gli strati superiori, che invece tendevano a crollare verso il
centro della stella per via della gravità. La stella è una situazione di equilibrio tra forza di pressione che
spinge e gravità che tira (tra l'altro siccome non c'è nessuna direzione privilegiata per queste due forze una
stella è una sfera...). Quando finisce il combustibile, il centro non ha più la pressione sufficiente per
sostenere gli strati esterni. Finisce la spinta in fuori e c'è solo la forza verso l'interno. Quando arrivo ad
avere un nucleo di ferro il destino è abbastanza segnato: il nucleo che non può più sostenersi implode, si
restringe. Implode per sempre? Qui ci sono due strade.
Le Supernovae
Se la stella ha meno di 20 masse solari, il suo nucleo si contrarrà fino a formare una cosiddetta stella di
neutroni (che vedremo fra un attimo). Questa contrazione ovviamente fa il vuoto: agli strati piu’ esterni
“manca la terra sotto i piedi”. Quindi cosa fanno? Precipitano verso la stella di neutroni appena formata; lì
trovano una superficie durissima. Li’ sono costretti a fermarsi, si scaldano liberando tutta la loro energia di
caduta (che era l'energia gravitazionale che avevano) e non possono far altro che rimbalzare. Si forma un
grandissimo rimbalzo che chiamiamo onda d'urto. Tutti questi strati energizzati dallo scontro con la
superficie dura vengono espulsi… Questa è una simulazione di quello che succede: questi sono gli strati
esterni. Si formano dei filamenti dall'espulsione di materia con delle velocità molto ragguardevoli: circa
10.000 km al secondo. In questi brevi istanti (durante il rimbalzo) le temperature diventano davvero
elevatissime: quello è il momento in cui si formano tutti gli elementi più pesanti del ferro che prima la stella
non aveva fatto; in quei pochi istanti viene fatto tutto quel che manca.
Questo succede in una stella molto grande, ma non grandissima, meno di 20 volte la massa del Sole. In
questo caso la grandissima esplosione che avviene viene chiamata supernova. Questa è la supernova
scoppiata il 23 febbraio del 1987. In tempi moderni è la supernova più vicina a noi mai scoppiata. E’ esplosa
nella grande nube di Magellano e quindi è a circa 50.000 anni luce da noi. Quindi e’ vicina per modo di dire
(nell’immagine: questa è la foto prima e questa la foto dopo). Era quasi visibile ad occhio nudo. E’ tramite
le esplosioni di supernova che tutti gli elementi che sono stati fatti nel nucleo della stella possono venire
espulsi e contaminare tutto lo spazio intorno di ferro, di ossigeno, di carbonio, di neon e così via… di tutti
gli elementi più pesanti dell’elio. Molto tempo dopo da questa zona di galassia già contaminata da questi
elementi si comincia a formare un grumo che attira le particelle intorno. Magari c'è un po' di rotazione, il
grumo comincia a rimpicciolirsi e rimpicciolendo la struttura si appiattisce per la forza centrifuga. Si forma
un disco rigonfiato nel centro che darà origine alla nuova stella (che ha gli elementi contaminati). Attorno
ci sono dei sotto-grumi: ruotano attorno al centro e contraendosi formeranno dei pianeti. La Terra deve
essere nata in questa maniera. Questo non è solo un modello, ma comincia ad essere una cosa verificabile
dalle osservazioni. Possiamo vedere dischi, che si chiamano proto-planetari, attorno a delle stelle che
stanno nascendo. Abbiamo anche scoperto negli ultimi 15/20 anni circa 700/800 pianeti che ruotano
attorno ad altre stelle: sono i pianeti extrasolari. Che i pianeti siano comuni è adesso un dato di fatto:
secondo le ultimissime stime (del mese scorso) il numero dei pianeti ha superato l'ammontare delle stelle.
Ci sono 100 miliardi di stelle nella nostra galassia? Allora ci devono essere più di 100 miliardi di pianeti. I
pianeti sono di più! Il nostro sistema solare (che ne aveva nove - adesso otto perché Plutone non è più un
pianeta) non è così raro, così eccezionale. E’ invece normale.
Queste sono immagini di supernove: questa è stata vista nel 1680, Cassiopea A a 11 mila anni luce , questa
è quella di Keplero e dista 20.000 a.l. Questa è stata vista nel 1604… Quel secolo è stato abbastanza
fortunato.. Questi sono i resti della materia che è caduta sulla superficie dura ed è stata immediatamente
espulsa. All’inizio ad una velocità di 10.000 km al secondo (che sono parecchi). Nel corso di quasi 400 anni
la materia espulsa ha riempito questo volume e ha permesso a noi di fare queste belle fotografie.
Questa è Tycho 1572 … vedete che tra il 1572 e il 1680 ce ne sono già state 3; 3 per secolo è il numero di
supernovae che ci aspettiamo in media scoppino nella nostra galassia. Queste pero’ sono le ultime e non si
sa perché ma da allora non ce ne sono state. Secondo me qualcuna tra breve deve scoppiare. Infatti c’e’
una stella che adesso vi faccio vedere che è lì lì per scoppiare: si chiama Eta Carinae. Questa è la nebulosa
del Granchio che è il resto di supernova più famoso. E’ stata vista nel 1054 da astronomi cinesi ed è distante
6500 a.l.
Per concludere questa parte: abbiamo stabilito quanto siamo vecchi: il nostro idrogeno ha 13,7 miliardi di
anni. Tutto il resto è stato, deve essere stato, prodotto da una supernova che è scoppiata nelle nostre
vicinanze prima della nascita del Sole quindi come minimo 5 miliardi di anni fa. Quindi tutti i nostri elementi
come minimo hanno 5 miliardi di anni. Davvero siamo polvere di stelle… non è solo un modo si dire: siamo
letteralmente polvere di stelle.
Le stelle di neutroni
Che cosa ne è di quel puntino, quella stella di neutroni che abbiamo lasciato? Quel puntolino ha anche lui
una sua storia curiosa; è successo che negli anni 60 a Cambridge in Inghilterra si stava facendo una ricerca
sugli effetti del materiale interstellare sulla scintillazione delle stelle…
Si vedevano delle oscillazioni regolari che si ripetevano a brevi intervalli, a intervalli molto precisi; quando
vedete una cosa così la prima reazione che avete è pensare a un’entita’ intelligente che sta mandando dei
messaggi, e infatti li hanno chiamati L.G.M.: “Little Green Man” – i marziani - ma era uno scherzo; la
spiegazione è arrivata non molto tempo dopo, immaginando una stella che è grande soltanto 10 km di
raggio. Starebbe nel raccordo anulare di Roma. Non brucia: è lì tenuta insieme da un effetto di meccanica
quantistica: ha una massa di circa una volta mezza quella del Sole – anche se all’inizio era 20 volte il nostro
Sole (tutto il resto l’ha buttato via). Un cucchiaino - un 1 cm³- pesa un miliardo di tonnellate; il campo
magnetico è di mille miliardi di Gauss... per confronto pensate che la Terra ha 0,5 Gauss circa, come il Sole,
e un magnetino da frigo ha un rispettabile campo magnetico di un centinaio di Gauss.
Stelle molto piu’ grandi del Sole
Se la stella è più grande di 20 soli cosa succede?
Per un po’ è tutto uguale a prima, fino a quando si forma un nucleo di ferro. Però in questo caso la stella è
più pesante, il nucleo di ferro è un po' più grande e quindi quando implode non c'è nessuna forza che
impedisce alla gravità di fare il suo lavoro, di contrarre. Prima c'era quest'effetto di meccanica quantistica
che Monica Colpi vi ha già spiegato: ai neutroni non piace stare impacchettati, quindi si agitano e resistono
alla forza di gravità. Però se la forza di gravità è di più, allora vince anche sulla pressione dei neutroni. Non
c'è niente che può contrastare il collasso e il nucleo diventa un buco nero.
Un buco nero ha questo raggio, che non è il raggio della superficie vera dove c'è la materia, ma è il raggio di
non ritorno… Se vi avvicinate a un buco nero di una massa solare a più di 3 km allora non tornate più
indietro qualunque motore abbiate, qualunque forze esercitiate, qualunque cosa facciate. Andate verso il
buco, non potete scappare; neanche la luce lo può fare.
I Gamma Ray Burst
Nella visione moderna di quello che succede questa non è completamente la fine della storia. Come prima,
nel caso della supernova, la materia cade. Se c'è un po' di rotazione non ci cade direttamente ma forma un
disco e sta lì per un po' - quanto? Questa è una domanda a cui non sappiamo ancora rispondere con
precisione: da un minimo di 10 secondi a un massimo di qualche settimana. Dipende dalle varie teorie e dai
dettagli del processo che state considerando: se c'è o no un campo magnetico, se la rotazione era tanta o
era poca ecc. La materia del disco spiraleggia prima di venire inglobata nel buco nero. Si comprime e si
scalda e provoca la nascita di campi magnetici tremendi: più grandi ancora di quei mille miliardi di Gauss
delle stelle di neutroni. Si hanno dai 10.000 ai 100 mila miliardi di Gauss e attraverso questo coacervo di
forze, per dei meccanismi non ancora compresi appieno (e quindi mi scuserete non se non ve li dico perché
non li sappiamo), questo coacervo di forze fa nascere due getti in direzione opposta. In questa figura
vedete il buco nero e il disco. Una parte della materia del disco, invece di andare dentro il buco nero, viene
espulsa. A velocità che sono molto, molto, molto prossime alla velocità della luce e quando dico molto vuol
dire 99,99995% della velocità della luce! Questi getti riescono a bucare tutti gli strati attorno alla stella che
non hanno ancora fatto in tempo a cadere (tutto succede in pochi secondi). Noi vediamo questi getti sotto
forma di accensione improvvisa nel cielo, in direzione non predicibile, di una sorgente di raggi gamma. Circa
una volta al giorno da un punto imprecisato del cielo si accende una lampadina di raggi gamma. Dura poco,
una ventina di secondi, poi si spegne nei raggi gamma, ma se andiamo a vedere nei raggi X la sorgente
rimane accesa per un po' di più; come nella luce visibile e nelle onde radio. Siccome il massimo della
potenza viene emessa in questi brevi 20 secondi della durata dei raggi gamma e siccome è impulsiva - è
come un'esplosione che in inglese si dice burst – queste sorgenti si chiamano Gamma Ray Burst, o GRB.
Adesso sappiamo che i GRB sono tra le sorgenti più lontane che l'uomo conosce. Questa sorgente è nata, è
scoppiata, quando l'universo aveva appena 630 milioni di anni e la luce ha viaggiato per 13 miliardi e passa
di anni prima di arrivare fino a noi. La sua distanza e’ di parecchi miliardi di anni luce: è l’oggetto più
distante che conosciamo. C'è un po' una gara adesso tra i GRB e delle galassie un po’ particolari, ogni sei
mesi il record viene strappato a uno dall'altro. Se sapete cos’e’ il redshift, il redshift di questo GRB è 8.2 (se
non sapete cos’e’ il redshift non importa): siccome i GRB sono molto lontani e dato che riesco comunque a
vederli, devono emettere una potenza colossale. Infatti in quei 20 secondi emettono come 100 supernove;
come il sole per 3 mila miliardi di anni, e come tutta la nostra galassia per cento anni (100 miliardi di stelle
per cento anni)… Quindi sono delle sorgenti eccezionali… ed è tutto fatto da una stella appena esplosa! In
quei pochi secondi riesce a superare in potenza tutto quello che noi conosciamo: queste sono le esplosioni
più potenti dal tempo del Big Bang. Il Big Bang e’ il primo in classifica, poi ci sono i Gamma Ray Burst, poi le
supernovae.
Fanno male?
Il grosso dell’emissione, quella nei raggi gamma, a noi sulla Terra non fa male. Anche se scoppiasse un GRB
vicino, e intendo un migliaio di anni luce - facciamo 3000 a.l. - i raggi gamma sarebbero completamente
fermati dalla nostra atmosfera, non arriverebbero quindi a terra. Se arrivassero farebbero certamente male
perché i raggi gamma penetrano nel corpo, nelle cellule scindono i legami, ionizzano quello che incontrano;
il DNA per esempio si spacca. I raggi gamma sono cancerogeni…. è come fare delle radiografie (che si fanno
con raggi X di 100 keV, che sono quasi raggi gamma). Quindi i raggi gamma sono fermati, invece i raggi X e
la parte ultravioletta dell'emissione, quella che dura anche per settimane, possono far male allo strato
dell'ozono che ci protegge dai raggi ultravioletti del Sole. Quello che ci fa male non è tanto la radiazione che
proviene dal GRB: quello che succede è che i raggi X e i raggi ultravioletti, dell'ultravioletto lontano,
interagiscono con gli strati superiori dell'atmosfera, scindendo la molecola dell'azoto - l'azoto è molto
presente in atmosfera (78%) . L’azoto non si ricombina con un altro azoto, gli risulta più facile ricombinarsi
con un atomo di ossigeno e a quel punto avete un po' di azoto da solo, un po' di N2, po' di ossigeno e
questa composizione attacca lo strato di ozono (la molecola di ozono e’ fatta da tre atomi di ossigeno) e si
fa il biossido di azoto (NO2) e una molecola di ossigeno. Il tutto succede abbastanza il fretta. Il risultato
finale è che avete aumentato il biossido di azoto e avete diminuito l'ozono; il biossido di azoto intercetta i
raggi di luce. Paradossalmente sulla terra vedete un Sole più debole, ma non avendo più lo stato dell'ozono
i raggi ultravioletti (che non interagiscono con il biossido d'azoto), passano. I raggi UV del Sole che riescono
a passare cosa fanno? Colpiscono terra e mare, ma soprattutto il mare… Nello strato superficiale del mare
vivono questi microrganismi (il fitoplancton): sono piccoli ma ce n'è una quantità spropositata. Loro
vengono uccisi dalla radiazione ultravioletta. Il fitoplancton e’ alla base della catena alimentare: quindi il
GRB crea una catena di eventi che diminuiscono l'ozono. Si crede che una delle vecchie estinzioni di massa quella che è successa 400 milioni - 500 milioni di anni fa (dell’Ordoviciano) - si possa imputare a un GRB
scoppiato nelle nostre vicinanze, anche se i pareri sono controversi, perché potrebbe essere un asteroide,
potrebbe essere un'esplosione, una catena di eruzioni vulcaniche e così via …le cause possono essere
diverse...
Questa è Eta Carinae: questa è una foto vera. Vedete che questa massa che sembra una clessidra? La
forma sembra indicare una direzione non verso la Terra… Se questa è un'indicazione di dove potrebbero
nascere i getti di materia velocissima (che sono come dei fucili che possono colpire la Terra)…
probabilmente siamo salvi! Eta Carinae è a 7000 a.l. dalla Terra e sta per scoppiare, anche se questo, in
astronomia, puo’ voler dire 10.000 anni… Se quando scoppierà facesse un GRB sarebbe certo un evento
straordinario di per se, però non ci farebbe male perché non ci punta addosso… (se invece ci puntasse
addosso farebbe male sì….).
Grandi luminosita’ e grandi distanze
Il bello di avere le sorgenti potenti è che le vediamo anche se sono lontane. Quindi posso studiare
l'Universo su grande scala, posso studiare il primo Universo e magari pensare a come l'Universo si è
evoluto. Scoprire per esempio se l'espansione dell'Universo continuerà per sempre oppure se ad un certo
punto si fermerà e tornerà indietro. Se pensiamo (in maniera molto, molto schematica) a pezzettini di
Universo come a frammenti di una bomba esplosa, avremo che i pezzettini interagiscono l’uno con l'altro
perché hanno massa e quindi si attraggono per gravità. E’ vero che loro si stanno espandendo, e se non ci
fosse la gravità andrebbero a velocità costante, ma la gravità tende a richiamarli, tende a frenarli e a lungo
andare magari la gravità vince sull’impulso iniziale e tutti i pezzettini riescono a essere fermati per un breve
istante per poi tornare indietro.
Vince la forza di richiamo della gravità o vince l'impulso iniziale? La gravità da cosa dipende? Dalle masse e
anche dalla distanza. La distanza non fa che aumentare quindi la forza di richiamo della gravità nel tempo
diminuirà perché la distanza si fa sempre più grande. Abbiamo tirato in ballo la massa e la distanza, infatti
la quantità fondamentale per sapere se l’universo ad un certo punto si ferma e torna indietro è la densità di
materia media dell'universo: se ce n’è tanta l'Universo tornerà indietro. Se c'è poca non tornerà indietro e
si espanderà per sempre. Queste erano le due idee guida sulla fine ultima dell'Universo: o si espanderà per
sempre o tornerà indietro.
Dipende dalla quantità di massa che c’e’ nell'universo, che gravita. Sono cominciati degli studi, delle
ricerche, avendo in testa queste due possibilità. Che cosa si fa? Si prende una lampadina cosmica di cui si sa
esattamente quanti watt emette – facciamo 100 W. Se è vicina riceviamo tanta luce ma se la mettiamo
lontana ne riceviamo poca. Siccome sappiamo che è sempre 100 W, dal flusso che riceviamo sappiamo la
distanza. Misuriamo anche lo spostamento verso il rosso della luce che emette e colleghiamo questo (e
questa è una semplificazione: non è la completa verità - sto leggermente barando in questo momento - ma
è un esempio che riesce farvi capire) - questo spostamento verso il rosso è legato a quando la lampadina è
stata accesa. Prendiamo tutte lampadine che hanno uno spostamento verso rosso uguale e supponiamo
che sono scoppiate tutte 5 miliardi di anni fa e misuriamo il loro il flusso. Come lampadine prendiamo un
tipo particolare di supernovae di cui sappiamo esattamente la potenza. Se vediamo che la supernova,
scoppiata 5 miliardi di anni fa, e’ molto brillante cosa vuol dire? Che è abbastanza vicina a noi. E cosa vuoi
dire che è vicina? Vuol dire che in questi 5 miliardi anni l'universo sia è espanso poco, che la gravità ha
operato rallentando l’espansione. Se la vedo debole vuol dire che la luce ha fatto tanta strada… che è
lontana. Lontano vuol dire che l'Universo si è espanso tanto; quindi nel primo caso abbiamo un Universo
che torna indietro. Nel secondo caso la gravità non ce la fa e l’Universo continuerà ad espandersi per
sempre. Per accademia facciamo anche un terzo caso (che non ci aspettiamo): la supernova viene vista
ultradebole. Cosa vuol dire? Che la luce ha fatto tantissima strada, come se le gravità non ci fosse… Nei
primi due casi la velocità decresce perché l'Universo frena… Nel primo caso ha frenato tanto. Nel secondo
ha frenato poco. Nel primo caso la luce ha fatto poca strada. Nel secondo ne ha fatta tanta. Nel terzo caso
la luce ha fatto tantissima strada… come se invece di frenare, l’Universo avesse addirittura accelerato.
Indovinate quale dei tre casi osserviamo? Con grande sorpresa di tutti noi quello che osserviamo e’ proprio
il terzo caso. La luce ha fatto tantissima strada, molto più di quanto era ragionevole pensare… Questo ha
fatto nascere l'idea che l'Universo, lungi dal frenare, sta accelerando; è da 4 miliardi di anni che accelera. Io
annovero questa tra le scoperte più grandi dal dopoguerra ad oggi; deve esserci qualcosa che opera e che
fa accelerare l’Universo e che vince la gara con la gravità da 4 miliardi di anni fa ad adesso. Questa cosa
misteriosa deve essere contraria alla gravità: invece di tirare spinge! Quindi non è una cosa associabile a
qualche tipo di massa, anche se oscura: la massa gravita, la massa tira.
Nei primi i 10 miliardi di anni c'e’ stato il frenamento previsto e anche questo è un dato interessante : per
10 miliardi di anni circa le cose sono andate come pensavamo: c’era la gravità, l'Universo frenava… Ma da 4
miliardi di anni fa in poi ha cominciato ad accelerare. Questo non è dovuto alla massa: diciamo che è
dovuto a un'energia strana, non visibile e quindi oscura e non capita. Questa energia oscura e’ il 75% del
contenuto dell'universo: tre quarti è fatto di questa cosa di cui non capiamo niente… Poi c'è un'altra parte
dovuta alla massa, sappiamo che è massa perché sappiamo che tira. La maggior parte e’ massa oscura (per
un 21%). Quello che vediamo: protoni, neutroni, stelle di massa normale… non e’ che il 4% del contenuto
dell’Universo. Sappiamo qualcosa solo del 4% dell'Universo...
grazie
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