Struttura ed evoluzione delle stelle Lezione 11 Sommario L’evoluzione di pre-sequenza principale. Il riscaldamento per collasso gravitazionale. La fusione nucleare. La catena p-p. Il ciclo CNO. Struttura stellare. Gli estremi della sequenza principale. L’evoluzione dopo la sequenza principale. La fase di Gigante. L’evoluzione degli ammassi stellari. Stelle variabili. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 2 L’evoluzione di pre-sequenza Le stelle appena formate sono grandi ma fredde. Le stelle massicce evolvono verso la sequenza principale in molto meno tempo di quelle di piccola massa. AA 2006/2007 Al procedere della contrazione, la stella si riscalda ed emette radiazione convertendo energia gravitazionale in energia termica (stella di pre-sequenza). Infine, si innescano le reazioni di fusione nucleare che bloccano il collasso e la stella si colloca sulla sequenza principale. Astronomia ➫ Lezione 11 3 Rilascio di energia gravitazionale Ricordiamo il teorema del viriale K = |U|/2 U è l’energia potenziale gravitazionale (EPG); K è l’energia cinetica (calore). Mentre la stella si contrae sotto l’azione della sua stessa gravità 1/2 dell’EPG rilasciata scalda il gas; 1/2 dell’EPG rilasciata è irraggiata via (luminosità della stella). La stella può brillare per l’EPG rilasciata durante la contrazione. Quanto potrebbe brillare il Sole a seguito del solo rilascio di EPG? EPG disponibile è 1/2 |U| = 1/2 × 3/5(GM⊙☉/R⊙☉) ~ 2.3×1041 J Tempo scala è t ~ 1/2 |U| / L⊙☉ ~ 10 milioni di anni! Questo tempo scala è paragonabile alla durata dell’evoluzione di presequenza. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 4 La sorgente di energia stellare Le stelle di pre-sequenza si vedi Lezione 7 contraggono finchè la (Il Sole) temperatura e la pressione del nucleo sono sufficientemente alte da accendere la fusione H→He. La temperatura di ~107 K è necessaria per vincere la repulsione Coulombiana. L’energia termica così liberata blocca il collasso gravitazionale. La stella si stabilizza e passa sulla sequenza principale. La catena p-p domina la produzione di energia per T<1.8×107 K ed è il processo più importante di produzione di energia nelle stelle con massa prossima a quella solare. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 5 Il ciclo CNO Nelle stelle più massicce gran parte dell’energia è generata col ciclo CNO. Nucleo T > 1.8×107 K Massa M > 1.1 M⊙☉ Il carbonio (12C) agisce come catalizzatore. Isotopi di N e O instabili, decadono in pochi minuti. AA 2006/2007 Isotopi di N e O sono prodotti negli stadi intermedi ma decadono entro pochi minuti. La produzione di energia attraverso il ciclo CNO è fortemente dipendente dalla temperatura. Astronomia ➫ Lezione 11 6 L’equilibrio idrostatico Le stelle si formano a seguito del collasso gravitazionale. Superficie Quando si arresta il collasso? Le stelle di sequenza principale sono stabili ed hanno vita lunga. Quando si accendono nel nucleo le reazioni di fusione nucleare, la pressione termica dovuta all’energia rilasciata bilancia la forza gravitazionale. Pressione Gravità Δm Equilibrio idrostatico: dividiamo la stella in “bucce” concentriche di massa Δm; su ciascuna buccia la pressione che spinge verso l’esterno è bilanciata dalla forza gravitazionale verso il centro. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 Centro 7 L’equilibrio idrostatico (segue) Si può facilmente dimostrare che l’equilibrio idrostatico è regolato da: ∆P Gm(r)ρ(r) =− ∆r r2 Equazione dell’Equilibrio Idrostatico ρ(r) dove m(r) è la massa interna alla buccia di raggio r r (m(r) esercita l’attrazione gravitazionale); ρ(r) è la r+Δr densità della buccia di raggio r, Δr è lo spessore m(r) della buccia, ΔP è la variazione di pressione della buccia rispetto alla pressione interna/esterna. La struttura stellare si auto-regola con l’equazione dell’equilibrio idrostatico: il nucleo si raffredda ➫ P diminuisce ➫ la stella si contrae; teorema del viriale: E potenziale gravitazionale ➫ E cinetica ➫ il nucleo si riscalda; il nucleo si scalda ➫ P aumenta ➫ la stella si espande; teorema del viriale: E cinetica ➫ E potenziale gravitazionale ➫ il nucleo si raffredda. Questa stabilità è responsabile per la sequenza principale. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 8 La pressione centrale Usando il concetto di equilibrio idrostatico possiamo stimare in modo grossolano la pressione e la temperatura al centro della stella. Consideriamo, per esempio, il caso del Sole e calcoliamo la variazione di pressione tra superficie ed il centro: ∆P Gm(r)ρ(r) =− ∆r r2 ma PSuperficie = 0 PSuperficie − PCentro GM! #ρ$ ≈ 2 R! − 0 R! M! !ρ" = 4 3 3 πR! sostituendo M⊙☉, R⊙☉ si ottiene: PCentro AA 2006/2007 GM! "ρ# −2 14 ≈ ≈ 10 N m R! La pressione dell’atmosfera terrestre è ~105 N/m2 Astronomia ➫ Lezione 11 9 La temperatura centrale Per poter stimare la temperatura centrale occorre una relazione che leghi temperatura, densità e pressione. Le stelle normali sono fatte di gas ionizzato, quindi seguono la legge dei gas perfetti. Al raggio r, pressione P(r), temperatura T(r) e densità di particelle n(r) sono legate da: P (r) = n(r) kT (r) ρ(r) = n(r) µ mH ρ densità di massa; μ peso molecolare medio ~1 - 2 Legge dei gas perfetti. costante di Boltzmann k = 1.381×10-23 J/K µ mH P (r) T (r) = ρ(r) k Temperatura al centro: TCentro Abbastanza caldo per la fusione p-p. Modelli accurati danno TC~1.56 ×107 K µ mH PCentro GµmH M! ≈ 1.2 × 107 K = ≈ !ρ" k k R! AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 10 Origine della relazione M-L Abbiamo visto che la luminosità di una stella è legata alla sua massa: L M3.5 Ora siamo in grado di capire perché. Le stelle più massicce devono produrre una maggior quantità di energia con la fusione nucleare in modo da sostenere il loro maggior peso. AA 2006/2007 G M "ρ# La pressione nel nucleo PC ≈ cresce con la massa. R La temperatura nel nucleo cresce con la pressione. µ m H PC TC ≈ "ρ#k Il tasso delle reazioni di fusioni nucleare aumenta con la temperatura. Il nucleo produce più energia che viene trasportata alla superficie. Maggiore luminosità Astronomia ➫ Lezione 11 11 Il trasporto di energia La struttura interna è diversa per le stelle molto più massicce o molto meno massicce del Sole. Zon interna convettiva, zona esterna radiativa Zona interna radiativa, zona esterna convettiva Interamente convettiva Dominate dal ciclo CNO AA 2006/2007 Dominate dalla catena p-p Astronomia ➫ Lezione 11 12 Produzione Energia e Struttura Tipo spettrale Supergiganti Luminosità (L/L⊙☉) Giganti Sequenza principale Nane bianche Nucleo radiativo, mantello convettivo; energia dalla catena P-P. Magnitudine assoluta (MV) Nucleo convettivo, mantello radiativo; energia dal ciclo CNO. Temperatura (K) AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 13 Gli estremi della seq. principale Stelle più massicce note M ~ 70 M⊙☉ Cosa determina la massa massima di una stella di sequenza principale? Qual’è la massa minima che può avere una stella di sequenza principale? Stelle meno massicce M ~ 0.08 M⊙☉ Esistono anche stelle meno massicce, le Nane brune o nane marroni. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 14 Pressione di radiazione e venti Dal momento che L~M3.5 la luminosità cresce rapidamente con la massa. Quando la massa eccede il cosiddetto Limite di Eddington (pressione radiazione = attrazione gravitazionale), la stella non è più stabile: l’equilibrio idrostatico crolla e la pressione di radiazione provoca grosse perdite di massa (venti). Esempio: η Carinae Sistema binario massiccio di stelle con 60 M⊙☉ e 70 M⊙☉. Mostra evidenza di grossa perdita di massa. AA 2006/2007 Lobi di gas ionizzato espulsi dalla stella. 5 . 0 Astronomia ➫ Lezione 11 η Carinae pc Disco 15 Massa minima sulla seq. principale Le stelle di sequenza principale ricavano la lore energia dalla fusione termonucleare H → He. Gliese 229B Il nucleo di una protostella deve però essere sufficientemente caldo da innescare queste reazioni. La temperatura del nucleo è TC PC Massa questo determina una massa minima per l’innesco delle reazioni di fusione termonucleare, Mmin = 0.08 M⊙☉. Esistono oggetti meno massicci e questi sono le nane brune o nane marroni. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 16 Nane marroni Sono stelle mancate (analoghe a Giove). La temperatura del nucleo non è sufficiente ad innescare le reazioni di fusione nucleare. Masse ~10-80 MGiove (MGiove ~ 0.001 M⊙☉). Fredde e deboli → difficili da trovare. Nane brune “libere” sono state trovate in regioni di formazione stellare come la nebulosa di Orione. Infatti seguono lo stesso processo di formazione delle stelle. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 17 Permanenza sulla sequenza principale La fase di sequenza principale è la fase di bruciamento dell’idrogeno ed è la fase più importante nella vita di una stella. Stelle di grande massa ➫ vita breve Stelle di sequenza principale Tipo Spettrale Massa (M⊙☉ = 1) Numero approssimato di anni sulla sequenza principale Luminosità (L⊙☉ = 1) Quando l’idrogeno nel nucleo è esaurito, la stella si allontana rapidamente dalla sequenza principale. I tempi di vita sulla sequenza principale dipendono da: riserva di energia disponibile (massa H); tasso di perdita di energia (Luminosità). AA 2006/2007 Stelle di piccola massa ➫ vita lunga Tempo di vita sulla sequenza principale: t E/L poiché E t M/L Mc2, L Astronomia ➫ Lezione 11 M-2.5 M3.5 18 Evoluzione dopo la seq. principale supergiganti Le stelle passano gran parte della loro vita nella sequenza principale. P.e. l’80% per il Sole. giganti La sequenza principale è la parte del diagramma H-R più densamente popolata. Dopo che il bruciamento dell’H nel nucleo cessa, le stelle si allontana dalla sequenza principale e diventano giganti. La massa iniziale determina: la forma precisa della traccia evolutiva post-sequenza principale; il destino finale della stella. L’evoluzione dopo la sequenza principale è guidata dalla fusione di elementi sempre più pesanti. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 19 Espansione in gigante rossa La fusione termina nel nucleo L’energia prodotta dal bruciamento esterno quando H è esaurito. di H provoca l’espansione degli strati Non c’è convezione nel nucleo ➫ esterni. non c’è combustibile “fresco”. Strato di fusione di H TC non è ancora sufficientemente Nucleo alta da far bruciare He. di He L’idrogeno continua a bruciare in uno strato più esterno attorno al nucleo. Il nucleo inerte di He Il nucleo si contrae e riscalda lo si contrare strato di bruciamento dell’H ➫ il tasso di produzione di energia L’atmosfera si raffredda aumenta. mentre si espande (Viriale ...) La stella riassesta la sua struttura: gli strati esterni si espandono e si raffreddano. La stella è diventata una gigante rossa. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 20 Il Sole come Gigante Rossa Il Sole si trova circa a metà Il Sole come stella di sequenza principale della sua vita sulla sequenza (diametro = principale. La durata della fase di bruciamento di H è ~10 miliardi di anni. L’età stimata del Sole è ~4.5 miliardi di anni. Quando H nel nucleo sarà esaurito, il Sole diventerà una gigante rossa. Raggio ~ 100 R⊙☉ ≈ 0.5 AU Il Sole come gigante Luminosità ~1000 L⊙☉ AA 2006/2007 rossa (diametro ≈ 1 AU) Astronomia ➫ Lezione 11 21 Il destino della Terra? La Terra in fase di evaporazione che orbita il Sole ormai divenuto una gigante rossa. Mercurio e Venere sono stati completamente sommersi dal Sole. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 22 Nuclei degeneri I nuclei inerti di He nelle giganti rosse non sono in equilibrio idrostatico. Bassa densità Non generano abbastanza pressione termica per bilanciare la gravità. Alta densità Spin opposti Il gas viene compresso dalla gravità finché non assume un nuovo stato quello di gas di elettroni degeneri. Il suo comportamento è governato dalla meccanica quantistica ed in particolare dal Principio di Esclusione di Pauli. “Solo due elettroni con spin diverso possono occupare lo stesso livello energetico” AA 2006/2007 Gas a bassa densità (non degenere) Gas ad alta densità (degenere) Elettroni liberi di muoversi → pressione termica Elettroni “compressi” nei livelli di energia più bassi → pressione di degenerazione degli elettroni che si oppone alla gravità. Astronomia ➫ Lezione 11 23 Evoluzione della gigante rossa Il nucleo di He continua a contrarsi e a riscaldarsi. Quando TC raggiunge ~108 K, comincia la fusione di He. Strato di fusione di H Nucleo He ha 2 protoni → più Nucleo alta barriera coulombiana → di He maggiore temperatura per fusione. Nelle stelle con un nucleo degenere (massa ~M⊙☉) questo avviene in modo esplosivo “Flash dell’Elio”. Le stelle con massa > 3 M⊙☉ innescano la fusione di He prima che i loro nuclei diventino degeneri. Nelle stelle con massa ≤ 0.4 M⊙☉ il nucleo non diventa mai caldo abbastanza per innescare la fusione dell’He. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 24 La fusione dell’Elio Il processo di fusione dell’He è il Interno di gigante rossa di 5 M⊙☉ “triplo alfa” (3α): 4He + 4He → 8Be + γ 8Be + 4He → 12C + γ I prodotti finali sono Carbonio e ossigeno. Quando il nucleo di Elio è Strato di fusione esaurito: dell’H il nucleo si contrae e si riscalda; si forma uno strato esterno dove si brucia He; l’atmosfera si espande. Nelle stelle con massa ~M⊙☉ il Nucleo nucleo non diventa mai caldo di He abbastanza per passare allo stadio successivo, la fusione di C. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 Superficie della stella Centro della stella Ingrandito 100 volte Dimensioni del Sole 25 Il flash dell’Elio Luminosità (L/L⊙☉) Nelle stelle di massa simile a quella solare, una volta innescato il bruciamento di He, il calore si diffonde rapidamente per conduzione nel nucleo degenere e la fusione si innesca rapidamente in tutto il nucleo. Il nucleo degenere non può Il flash dura solo inizialmente espandersi per pochi minuti prima raffreddarsi poiché la pressione che il nucleo ritorni non dipende dalla temperatura. non degenere. Si innesca una reazione a catena: il bruciamento di He aumenta T, Temperatura (K) che intensifica il bruciamento di He. Ad un certo punto l’energia liberata è tale che il nucleo si espande e si ritorna all’equilibrio idrostatico. Il bruciamento di He procede “tranquillamente”. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 26 L’evoluzione del Sole Produzione di energia Fusione H nel nucleo Pre-sequenza: collasso gravitazionale. Post-sequenza: fusione di H in strato esterno (catena pp). Dopo il flash dell’He: fusione di H in strato esterno (catena pp) + fusione dell’He nel nucleo (3α). AA 2006/2007 Fusione He in nucleo e fusione H in strato Flash dell’He Luminosità del Sole (L/L⊙☉, valore attuale) Sequenza principale: fusione di H nel nucleo (catena pp). Fusione H in strato Contrazione dalla protostella Adesso Il Sole raggiunge la sequenza principale. Il Sole è una gigante rossa Il Sole lascia la sequenza principale. Età del Sole (miliardi di anni) Astronomia ➫ Lezione 11 27 Evoluzione di gigante rossa (5M⊙☉) Strato He + strato H Nucleo He + strato H Nucleo H Nucleo Innesco di C, O He Strato H za en qu Se He inattivo ipa inc pr le AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 28 La fusione degli elementi pesanti Se una stella è sufficientemente massiccia il nucleo C/O si contrarrà e si riscalderà finché non inizia la fusione del C Temperatura > 6×108 K Massa ≥ 4M⊙☉ Una complessa catena di reazioni nucleari produce gli elementi più pesanti (Ne, Na, Mg, O). Quando il Carbonio è esaurito, ricomincia il collasso gravitazionale. AA 2006/2007 Una stella molto massiccia (M ≥ 8M⊙☉) può andare incontro a diversi cicli di fusione seguiti dalla contrazione del nucleo. La fase di bruciamento diventa sempre più rapida. Astronomia ➫ Lezione 11 La fusione si ferma al 56Fe (vedi la curva dell’energia di legame dei nuclei → lezione 7). 29 La nucleosintesi Reazioni nucleari nelle stelle massicce Carburante nucleare Prodotti della fusione Temperatura minima di innesco Gli elementi chimici fino al 56Fe sono prodotti dalle reazioni nucleari nelle stelle. Questo processo è noto come Nucleosintesi Le stelle massicce sono le più importanti perchè riescono a produrre i metalli più pesanti. AA 2006/2007 Massa sulla seq principale necessaria per l’innesco Durata della fusione in una stella di 25 M⊙☉ Il gas arricchito chimicamente è reimmesso nel mezzo interstellare attraverso: venti ed espulsioni di massa stellari; esplosioni di supernove; Il gas riciclato forma la polvere, i pianeti e ... noi! E gli elementi più pesanti di 56Fe? Astronomia ➫ Lezione 11 30 Nucleosintesi in una stella massiccia Negli ultimi stadi della sua vita una stella massiccia (M>25 M⊙☉) ha molti strati in cui avvengono reazioni di fusione nucleare che coinvolgono elementi sempre più pesanti. He C, O C Ne, Na, Mg, O Ne O, Mg H He Si Fe, Co, Ni AA 2006/2007 O Si, S, P La fusione degli elementi più pesanti ha una durata sempre più breve. Il bruciamento del Si, per esempio, dura ~1 giorno. Quando il nucleo diventa di ferro, la fusione cessa. Che succede dopo? Astronomia ➫ Lezione 11 31 Schema evoluzione post-sequenza Boom! Formazione del nucleo di Fe Fusione elementi pesanti M > 8 M⊙☉ Le perdite di massa e la composizione chimica alterano i dettagli delle tracce evolutive. La fusione cessa alla formazione del nucleo di C, O M < 4 M⊙☉ M < 0.4 M⊙☉ AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 Nane rosse: il bruciamento dell’He non si innesca mai 32 Evoluzione stellare negli ammassi Gli ammassi stellari sono importanti laboratori per lo studio dell’evoluzione stellare. Le stelle nascono tutte insieme: hanno la stessa età; hanno la stessa composizione chimica; coprono un certo intervallo di masse. Le differenze osservate tra le stelle sono attribuibili alle diverse fasi evolutive (le stelle massicce evolvono più rapidamente). L’età di un ammasso può essere stimata dal diagramma H-R. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 33 Diagramma H-R di un ammasso L’età di un ammasso può essere stimata da suo punto di “turn-off”. La maggior parte delle stelle massicce sono già morte. Solo alcune stelle sono nella fase di gigante Sequenza principale Punto di turn-off Le stelle di massa più bassa sono ancora sulla sequenza principale. Tutte le stelle sulla sequenza principale al disotto di questo punto non hanno ancora iniziato l’evoluzione di post-sequenza. La determinazione di questo punto fornisce il tempo trascorso dall’ammasso nella fase di sequenza principale ovvero la sua età. Più basso è il turn-off più vecchio è l’ammasso. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 34 Stima dell’età di un ammasso Stelle di grande massa in evoluzione. Stelle di bassa massa ancora in formazione. “giovane” NGC 2264 Età: 106 y Pleiadi Età: 108 y “maturo” Le stelle della parte alta della sequenza principale sono morte. M67 Età: 4×109 y Solo le stelle di più bassa massa rimangono sulla sequenza principale. “vecchio” AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 35 Stelle variabili Luminosità (L/L⊙☉) Alcune stelle possono variare di alcune magnitudini in brillanza. Striscia di instabilità (tra le righe tratteggiate) Variabili RR Lyrae. Variabili Cefeidi. Variabili Cefeidi Variabili a lungo periodo. Variabili Sono tutte stelle evolute di RR Lyrae postsequenza. La variabilità sembra causata da pulsazioni in cui l’inviluppo esterno si espande e si contrae Sequenza Principale ciclicamente. Ricordiamo che: L = 4πR2 σT4 Per esempio nelle Cefeidi il raggio varia del 5-10% durante le Temperatura (K) pulsazioni. AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 Variabili a lungo periodo 36 Variabili Cefeidi Brillanza massima Brillanza massima Più brillante δ Cephei raggiunge il massimo di brillanza ogni 5.4 giorni. Magnitudine apparente Le variabili Cefeidi variano periodicamente in brillanza. Le pulsazioni sono dovute all’opacità dell’He ionizzato parzialmente. Tempo (giorni) La curva di brillanza di δ Cephei (magnitudine - tempo) La zona di He+ è compressa e opaca alla radiazione ionizzante. L’energia intrappolata causa l’espansione. AA 2006/2007 La zona di He+ è trasparente dopo l’espansione. L’energia intrappolata fuoriesce. La gravità causa la compressione. Astronomia ➫ Lezione 11 37 La relazione Periodo-Luminosità Le Cefeidi variano con un periodo che cresce con la luminosità media. Le Cefeidi sono in genere molto luminose e possono essere osservate a grandi distanze (anche nelle galassie esterne). Le osservazioni delle Cefeidi possono essere utilizzate per misurare le distanze fino alle galassie vicine. AA 2006/2007 Luminosità (L⊙☉) La luminosità intrinseca di una Cefeide può essere determinata a partire da suo periodo! Cefeidi di tipo I Stelle di popolazione I, ricche di metalli più luminose. Cefeidi di tipo II Stelle di popolazione I, povere di metalli Meno luminose. Periodo (giorni) m-M = 5 log(Dpc /10) m osservato, M dal periodo. Astronomia ➫ Lezione 11 38 Conclusioni Sulla sequenza principale l’energia è generata dalla reazione di fusione H→He. Stelle di massa solare: catena pp; Stelle massicce: ciclo CNO. L’energia prodotta stabilizza la stella contro il collasso gravitazionale che quindi si trova sulla sequenza principale in equilibrio idrostatico. La durata della fase di sequenza principale dipende dalla massa. Le stelle massicce hanno vita breve (~106 y) Le stelle di piccola massa hanno vita lunga (~1010 y) Quando il bruciamento di H termina nel nucleo, la stella evolve nel ramo delle giganti. Le stelle con massa > 0.5 M⊙☉ innescano la reazione 3α (He→C). Le stelle con massa > 4 M⊙☉ arrivano a bruciare C. Le stelle con massa > 8 M⊙☉ bruciano tutti gli elementi fino al Ferro. Gli elementi chimici al di sotto di 56Fe sono creati all’interno delle stelle (nucleosintesi). AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 39 World Wide Web Simulatore di evoluzione stellare: http://rainman.astro.uiuc.edu/ddr/stellar/ Tutorial sull’evoluzione stellare: http://cassfos02.ucsd.edu/public/tutorial/StevI.html AA 2006/2007 Astronomia ➫ Lezione 11 40