Corso di Astronomia per Tutti Nascita, vita e fine delle stelle Ing. Claudio Costa Carocicosta.it [email protected] Anche a un’occhiata superficiale le stelle mostrano luminosità e colori differenti E allora sorgono subito domande come: • • • Perché? Quante ce ne sono? E cosa sono? Beh a occhio nudo ne contiamo circa seimila… Ma se usiamo telescopi potenti arriviamo a capire che nella sola Galassia, la grande famiglia di stelle a cui appartiene il Sole, il numero è di circa 100 miliardi! Se potessimo osservarla dall’alto vedremmo qualcosa di simile a questo disegno Le stelle sono distribuite non a caso ma su una struttura a forma di disco di 100.000 anni luce di diametro, lungo braccia a spirale Voi siete qui 30.000 anni luce 100.000 anni luce Vista di «taglio» la nostra Galassia somiglierebbe a questa chiamata NGC 891 e lontana da noi 40 milioni di anni luce Vista di «tre quarti» invece a quest’altra, M81 distante circa 12 milioni di anni luce Ma cosa sono le stelle? Come abbiamo visto per il nostro Sole, sono sfere di gas, o meglio di plasma (gas con elettroni liberi) formate per il 75% da Idrogeno e per il rimanente 25% da Elio con tracce piccolissime di altri elementi È un gas molto caldo e quindi luminoso: anche le stelle più fredde hanno temperature in superficie di circa 2.000 gradi E’ proprio per questo che le stelle riescono a vivere molto a lungo sempre in equilibrio tra: • • la gravità, che vuole comprimerle la pressione prodotta dai moti delle particelle gassose che tendono a disperdersi nello spazio Inoltre le stelle sono anche in equilibrio termico: l’energia che esce dalla loro superficie è uguale a quella che viene prodotta nel centro La stella si stabilizza quando la sua dimensione è tale che la superficie è sufficientemente grande da permettere di dissipare tutta l’energia prodotta all’interno Cerchiamo ora di capire dove e come si formano il Sole e le altre stelle Dobbiamo andare a cercare nelle grandi nubi di gas e di polveri chiamate nebulose diffuse In effetti di nubi di questo tipo nella Via Lattea ce ne sono tantissime: alcuni bellissimi esempi sono la nebulosa di Orione, la Nord America, la Rosetta oppure la nebulosa Aquila, nel Serpente Le nebulose sono composte per il 99% da gas e da polveri: i gas sono idrogeno allo stato molecolare, ma anche molecole d’acqua e atomi di carbonio, ossigeno, azoto, eccetera Le polveri invece sono minuscoli granuli grandi circa un millesimo di millimetro (molto meno dello spessore di un capello) composti di ghiaccio, ferro, silicio e altri elementi Anche se le polveri sono relativamente poche rispetto al gas, essendo decisamente più grosse e pesanti degli atomi e delle molecole di gas, si muovono più lentamente, e con la loro forza di gravità attirano altro materiale, e poi altro ancora Già nella nebulosa è in atto la competizione vista prima: • La gravità tende a raggruppare le particelle • La temperatura tende ad allontanarle Quando la nube supera una certa densità (circa centomila particelle a cm cubo) la nube tende a contrarsi attirando sempre più particelle: si dice che auto-gravita Ogni minima lenta rotazione della nube tende a farla appiattire in disco ruotante perché lungo l’asse di rotazione l’auto-gravitazione non è contrastata dall’accelerazione centrifuga All’interno delle nebulose si formano molteplici centri di aggregazione che generano stelle di masse molto diverse tra loro Non possono esistere stelle con una massa inferiore a 8 centesimi di quella solare, perché non riuscirebbero a innescare le reazioni nucleari che sono la fonte di energia stellare Stelle di massa molto superiore a 50 masse solari, invece, avrebbero una temperatura al loro centro così alta che la pressione esercitata verso l’esterno le distruggerebbe Ma come e quanto vive una stella? Il problema è che non possiamo vedere le diverse fasi della sua vita perché esse durano molto a lungo: da qualche milione a diversi miliardi di anni Quindi è impossibile mettersi semplicemente seduti e aspettare di vedere come una stella evolverà nel tempo D’altra parte in cielo ci sono moltissime stelle Quindi, tra le tante stelle visibili con i nostri strumenti, ce ne saranno alcune giovanissime, altre adolescenti, altre ancora adulte e infine alcune anziane Questo è in pratica il lavoro che fanno gli astronomi che si occupano di evoluzione stellare: rimettere insieme i frammenti della vita delle stelle Facendolo, si scoprono molte cose Alcune stelle sono molto luminose, altre molto meno; alcune sono molto calde e altre molto meno e così via In realtà, in alcuni casi, non si tratta di stelle di tipo diverso: sono semplicemente a uno stadio diverso della loro evoluzione, mentre molte altre sono in effetti differenti Le temperature superficiali vanno da circa 2.500 e 40.000 gradi, con il Sole in posizione intermedia (5.500 gradi) e questo provoca i colori differenti che vediamo anche debolmente a occhio nudo La stelle calde sono bianco-azzurre, quelle fredde sono arancionerosse Temp. (K) Colore Massa (M☉) Raggio (R☉) Luminosità Esempio (L☉) 28 000 50 000 Blu-azzurro 16 - 150 15 fino a 1 400 000 10 Lacertae 9 600 28 000 Biancoazzurro 3,1 - 16 7 20 000 Regolo 7 100 9 600 Bianco 1,7 - 3,1 2,1 80 Altair 5 700 7 100 Biancogiallastro 1,2 - 1,7 1,3 6 Procione 4 600 5 700 Giallo 0,9 - 1,2 1,1 1,2 Sole 3 200 4 600 Arancione 0,4 - 0,8 0,9 0,4 α Centauri B 1 700 3 200 Rosso 0,08 - 0,4 0,4 0,04 Stella di Barnard La vita di una stella è determinata da un parametro ben preciso: la sua massa, cioè la quantità di materia che la forma Essa condiziona tutte le sue altre caratteristiche: dimensioni, luminosità e durata della vita Quanto maggiore è la massa, tanto più la stella diventa calda e luminosa perché la gravità è maggiore e la stella deve consumare idrogeno più rapidamente per bilanciarla con la pressione Per l’equilibrio termico, la maggiore energia prodotta dalle stelle massicce le rende più grandi Le stelle che hanno una massa pari a circa un decimo di quella del Sole, hanno una luminosità che è solo qualche centesimo di quella della nostra stella e un raggio pari anche a 1/100 di quello del Sole Stelle con massa 40 volte quella solare hanno una luminosità che è anche 200.000 volte più elevata e un diametro anche 150 volte maggiore Basta fare un semplice calcolo: Una stella che ha una massa pari a 40 volte quella del Sole e una luminosità 200.000 volte quella solare, consuma il proprio carburante 200.000 volte più rapidamente, e pur disponendo di combustibile 40 volte più abbondante lo esaurirà in un tempo 200.000/40 = 5.000 volte più breve Poiché il Sole ha una vita complessiva di circa 10 miliardi di anni, un astro di massa 40 volte quella solare potrà quindi brillare per soli 2 milioni di anni, un tempo brevissimo su scala astronomica! Per esempio Rigel, la stella in basso a destra nella costellazione di Orione ha davvero una luminosità fuori dall’ordinario, molto superiore a quella della maggior parte delle altre In effetti splende quasi 100.000 volte più del Sole, e ha proprio per questo un colore azzurrino Sole Rigel è una supergigante: significa che ha una massa pari a quasi 20 volte quella della nostra stella e un diametro 80 volte maggiore Rigel ha circa 5 milioni di anni: con la sua alta luminosità non vivrà molto a lungo, rispetto alla media Rigel AB Doradus C All’altro capo, cioè pensando a stelle piccole e poco brillanti, ci sono astri come AB Doradus C Di fatto, si tratta di una delle più piccole stelle conosciute: ha una massa che è solo il 9 per cento di quella del Sole È un’insignificante stellina rossiccia, fredda e piccolina Ma ha dalla sua il fatto di essere «risparmiosa»: consuma così poca energia che vivrà per miliardi e miliardi di anni, molto più a lungo anche del Sole Sole Stelle brillantissime come Rigel sono relativamente poche Non solo la loro formazione è poco probabile, ma anche la breve durata della loro vita le toglie di scena in fretta Quelle piccole e poco splendenti invece sono molto più numerose, perché vivono tantissimo tempo e quindi è più probabile incontrarle Ricapitolando quindi: Nelle prime fasi della vita delle stelle prevale la forza di gravità che le fa contrarre a poco a poco, fino a che diventano stelle vere e proprie a partire da una nube di gas e polveri Una stella raggiunge la «maturità» quando è in perfetto equilibrio idrostatico e termico; questa fase è la più lunga e per qualunque tipo di astro, indipendentemente dalla massa, rappresenta il 90 per cento della vita Quando in una stella simile al Sole il combustibile (cioè l’idrogeno) del nucleo comincia a scarseggiare, essa perde l’equilibrio in cui è rimasta per qualche miliardo di anni Si arriva infatti al punto in cui, al suo centro, quasi tutto l’idrogeno si è trasformato in elio E dato che la temperatura in questo tipo di astri non è sufficientemente elevata, l’elio non «fonde», cioè non produce nuove reazioni nucleari Idrogeno Elio Il nucleo allora inizia a raffreddarsi e la gravità prende di nuovo il sopravvento, come nella fase in cui la stella si è formata Un po’ alla volta il nucleo dell’astro si contrae, ma così facendo si riscalda Quando raggiunge i 100 milioni di gradi, i nuclei di elio cominciano a fondersi l’uno con l’altro formando nuclei di carbonio Idrogeno Elio Carbonio I La stella entra in un nuovo periodo tranquillo della propria vita? Non tanto, perché l’energia prodotta dal combustibile elio è molto maggiore di quella prodotta dal combustibile idrogeno Per l’astro, l’unico modo per mantenersi in equilibrio termico è di emettere in modo più efficiente l’energia prodotta E come può farlo? Dilatandosi, cioè aumentando la propria superficie di oltre 10.000 volte Il Sole si troverà in questa situazione tra 4 o 5 miliardi di anni Il suo raggio passerà da 700.000 ad almeno 70 milioni di chilometri, forse di più Con la dilatazione, però, la temperatura della superficie diminuisce Nel caso del Sole scenderà da quasi 6.000 gradi a circa 3.000, e la nostra stella cambierà colore, passando dal giallo al rossastro A quel punto essa sarà diventata una gigante rossa, cioè grandissima ma relativamente fredda Ma non è ancora finita Il povero Sole, mentre al suo centro l’elio diviene carbonio, si contrarrà di nuovo Non trascorrerà molto tempo, diciamo circa 100 milioni di anni, prima che si riduca a una stellina 100 volte più piccola di quella attuale e molto meno luminosa E poi si dilaterà ancora, a mano a mano che il suo nucleo si assesta e avvengono nuove reazioni nucleari Una specie di fisarmonica, con i diversi passaggi che si susseguono a un ritmo sempre più rapido, come un film che accelera e accelera Con tutto questo tira e molla, il Sole un po’ alla volta perderà anche… dei pezzi Prima sotto forma di vento stellare, un flusso di particelle e materia che spira dalla sua superficie E poi sotto forma di guscio, tutto in un colpo Il suo involucro più esterno si staccherà come una bolla e si disperderà nello spazio, dilatandosi sempre di più Questo guscio formerà un oggetto nuovo, che ancora non abbiamo incontrato: una nebulosa planetaria come l’oggetto qui accanto , la nebulosa ad Anello, M57, nella costellazione della Lira In generale, una nebulosa planetaria è destinata a dissolversi un po’ alla volta, in un tempo relativamente breve, dell’ordine dei 10.000 anni Infatti si espande e si dilata sempre di più fino a diluirsi al punto da non essere più visibile Che cosa accade invece alla stella che l’ha generata? Si trasforma di nuovo, fino a diventare una nana bianca, una stellina che ha una massa poco maggiore di quella del Sole ma dimensioni paragonabili a quelle della Terra Essa tuttavia ha una temperatura superficiale che va da qualche decina di migliaia di gradi fino a 150.000: nel caso di M57 è di 125.000 Perciò la densità della stella è di tonnellata per centimetro cubo! Un cucchiaino da caffè della materia che la compone pesa una tonnellata! Ma torniamo alle nostre nane bianche Le stelle che hanno una massa simile a quella del Sole diventano appunto così, caldissime e piccoline Ma poi, che fine fanno? Non succede più niente di interessante; una nana bianca è destinata a raffreddarsi un po’ alla volta, in tempi lunghissimi, fino a diventare una nana nera o bruna Ma il tempo che le occorre è tanto lungo da superare addirittura l’età dell’universo In pratica, non ne esiste ancora nessuna che sia diventata nera… Ne riparliamo tra 20 o 30 miliardi di anni! Un’evoluzione simile attende anche le stelle con una massa molto più piccola di quella del Sole, solo che queste non passano nemmeno per lo stadio di giganti rosse Per esempio, una stella che abbia una massa pari a un decimo di quella solare, finito l’idrogeno si contrarrà anch’essa, ma non riuscirà a innescare le reazioni di fusione dell’elio Quindi il suo nucleo si raffredderà, mantenendo però in equilibrio l’astro, che alla fine si spegnerà lentamente Qui accanto vedete quello che è successo a Betelgeuse che si è espansa fino a diventare molto più grande dell’orbita delle Terra intorno al Sole! A quel punto la stella è entrata nella sua «terza età», che la porterà in qualche modo verso la fine Quest’ultima parte della sua vita è la più spettacolare e quella in cui accadono fenomeni repentini e a volte… esplosivi! Tutto dipende ancora una volta dalla massa della stella: stelle di masse diverse vanno incontro a destini differenti Nel caso delle stelle di grande massa, il gioco di tira e molla, espansione e contrazione va avanti più a lungo, e ogni volta la stella utilizza come combustile elementi diversi, producendo grazie alle reazioni di fusione nuclei di atomi sempre più pesanti Se ha una massa pari a oltre 10 volte quella del Sole, arriva un momento in cui il suo centro è composto di ferro e di nichel, ha una temperatura di circa 10 miliardi di gradi e una densità pari a circa 1 miliardo di volte quella dell’acqua (un cucchiaino di nucleo stellare pesa 1.000 tonnellate!) A questo punto, la stella non riesce più a continuare il suo lavoro di reattore nucleare Il problema è che mentre le reazioni di fusione che portano fino alla formazione del ferro producono energia, quelle che farebbero fondere nuclei di ferro in elementi più pesanti richiedono energia dall’esterno, quindi non avvengono spontaneamente Perciò la reazione prende energia dall’unica fonte disponibile: il calore del centro della stella Questo nel giro di pochi minuti restituisce tutta quella che era stata prodotta nel corso della vita dell’astro, e la sua temperatura scende bruscamente da 10 miliardi di gradi ai 100 milioni che aveva all’epoca della combustione dell’elio Quindi anche la forza di pressione diminuisce bruscamente e non è più in grado di contrastare la gravità La stella collassa verso il centro, la temperatura aumenta in tutti gli strati superficiali ricchi di idrogeno, elio, carbonio eccetera, combustibili nucleari in grado di produrre energia Si scatena quindi una serie di reazioni nucleari incontrollate Tutto avviene così rapidamente che la stella non si può espandere, aumentando gradualmente la sua superficie per dissipare il calore prodotto E quindi esplode: da centrale per la fusione nucleare quale è stata durante tutta la sua vita, si è trasformata in una bomba Le stelle che esplodono in questo modo sono dette Supernovae di tipo II Producono una nebulosa in espansione : qui accanto quella denominata Crab Nebula che sappiamo essere, dalle cronache cinesi e dai disegni rupestri dei nativi americani, essere stata generata dall’esplosione di una supernova nell’anno 1054 d.C. L’onda d’urto dell’esplosione può comprimere una nebulosa vicina e favorire così la nascita di nuove stelle Insomma, dalla morte di una singola stella ne possono nascere tante altre Ma la cosa più interessante è che con l’esplosione la stella rilascia nello spazio tutti gli elementi chimici che ha prodotto nel corso della sua vita Lo spazio interstellare si arricchisce di carbonio, ossigeno, azoto, silicio che si rendono disponibili per creare nuove stelle (insieme con l’idrogeno e l’elio delle nebulose) ma anche pianeti ed esseri viventi Il rame, lo zinco, l’argento, l’oro, il platino, tutti più pesanti del ferro sono quindi prodotti durante l’esplosione delle supernovae L’energia dell’esplosione crea infatti le condizioni estreme necessarie per la formazione degli elementi chimici più pesanti del ferro, che non si erano potuti formare nella stella nel corso della sua esistenza «normale Senza supernovae, insomma, non ci sarebbero monete d’oro e d’argento, anelli di platino e fili elettrici di rame Ma anche lo zolfo nelle vostre unghie o il ferro dell’emoglobina del vostro sangue e, probabilmente ogni vostro singolo atomo, ha viaggiato per decine di anni luce per poi finire nella nebulosa solare Poi è sfuggito alla formazione del Sole ed è capitato nella sotto-nebulosa da cui ha avuto origine la Terra E infine, tra miliardi e miliardi di altre possibilità, è finito dentro al vostro corpo Siamo quindi fatti di materia fusa all’interno degli astri: siamo letteralmente figli delle stelle Al centro della Crab Nebula scopriamo che una stellina che emette poca luce normale, ma una gran quantità di onde radio e di raggi X C’è di più: la stellina pulsa in modo regolare e rapidissimo Sembra una specie di faro che spara un fascio di radiazioni in una direzione precisa E’ una pulsar: il nome deriva dalle parole inglesi «pulsating star», cioè stella pulsante Si tratta di stelle formate da un solo tipo di particelle elementari: i neutroni Le stelle di neutroni sono in rapidissima rotazione (nel caso della Crab Nebula una volta ogni 33 millisecondi) Sono circondate da un intensissimo campo magnetico che, interagendo col plasma di elettroni liberi, genera impulsi di radiazione fortemente collimati lungo i poli magnetici della stella: se la Terra si trova nel fascio si vedono i lampi provocati dal suo passaggio Oggi si conoscono più di 1.000 pulsar con periodi compresi fra 1,5 millesimi di secondo e più di 8 secondi Il fatto che le stelle di neutroni ruotino così velocemente deve significare che sono molto piccole: le stelle di neutroni sono davvero fuori dal normale: hanno una massa pari a circa 1,52,5 volte quella del Sole concentrata in un raggio di soli 10 chilometri circa Significa che un centimetro cubo della loro materia pesa… circa 1 miliardo di tonnellate Tornando alla fine della vita di una stella di grande massa, quando essa esplode, gli strati esterni vengono scagliati nello spazio, formando il resto di supernova Mentre il suo nucleo crolla su se stesso a causa della forza di gravità e forma una stella di neutroni i quali, a quel punto, arrestano il collasso gravitazionale Come conseguenza del collasso, la stella di neutroni accelera incredibilmente il proprio moto di rotazione, secondo lo stesso principio che abbiamo già visto parlando della nube da cui ha avuto origine il sistema solare Ricapitolando: le stelle come il Sole fondono l’idrogeno, che poi si esaurisce, fondono un po’ di elio, quindi passano attraverso lo stadio di gigante rossa, rilasciano una nebulosa planetaria e infine si riducono a una nana bianca Le stelle molto più massicce del Sole esplodono come super-novae Ma a quel punto ci sono tre possibilità La prima è che dall’esplosione emerga solo il resto di supernova La seconda è che oltre a esso rimanga il nucleo dell’astro originario sotto forma di stella di neutroni La terza è che invece di una stella di neutroni alla fine rimanga un buco nero I buchi neri sono forse gli oggetti dell’universo che stimolano di più la fantasia: sono affascinanti, paurosi, incomprensibili … … e, soprattutto, invisibili Ma, dal punto di vista di un astronomo, non sono altro che stelle, sia pure molto ma molto strane Facciamo un passo indietro: abbiamo la nostra stella di grande massa (diciamo che in partenza ne aveva una pari ad almeno 20 volte quella del Sole, e che dopo le sue varie traversie evolutive gliene sono rimaste 5) che esplode come supernova La sua massa è troppo grande, e la pressione esercitata dalla gravità troppo forte Neppure i neutroni che la formano riescono a fermare il collasso del nucleo della stella, che continua quindi a implodere senza che ci sia alcun meccanismo fisico noto in grado di impedirlo Quello che possiamo immaginare è che la stella progenitrice collassa, collassa, collassa fino a ridursi a una dimensione (raggio di Schwarzschild) entro il quale la velocità di fuga da esso supera quella della luce: è diventato un buco nero da cui, in teoria, non può sfuggire nulla, neppure la luce Ma se da un buco nero non esce nulla, come facciamo ad accorgerci che c’è? In effetti non è facile Nessuno ne ha mai visto uno direttamente Però si può dedurne la presenza dall’effetto che ha su tutto ciò che lo circonda Esso è come un aspirapolvere spaziale, che attira a sé e inghiotte quello che gli sta vicino: stelle, gas, polveri… Se quindi, da qualche parte dello spazio, si vede materia inesorabilmente attirata verso qualcosa che… non si vede, probabilmente si tratta proprio di un buco nero Nell’oggetto chiamato Cygnus X1, per esempio, vediamo una stella gigante azzurra, con una temperatura di 30.000 gradi e una massa pari a 20 (o forse 40) volte quella del Sole Ma non può essere lei a emettere tanti raggi X Infatti si osserva che dalla superficie della gigante azzurra parte una specie di ponte di materia che si allunga nello spazio e va verso una specie di ciambella, discretamente luminosa La ciambella è il disco di accrescimento di un buco nero, dato che al centro di essa non c’è nessun oggetto distinguibile Vediamo questa presenza invisibile risucchiare instancabilmente materia alla povera stella azzurra Ma dove andrà a finire? Che cosa c’è lì dentro? Nessuno lo sa! Le condizioni fisiche all’interno di un buco nero sono così diverse da tutto ciò di cui abbiamo esperienza da rendere avventato qualunque tipo di previsione Sapete che cosa accadrebbe se uscissimo dall’astronave e ci tuffassimo di testa nel buco nero? Verremmo «spaghettificati» Significa che verremmo stirati per il lungo al punto da diventare una specie di spaghetto sottile e lunghissimo! In prossimità del buco la luce non procede più in linea retta: il campo gravitazionale vicino al buco nero è così intenso da distorcere lo spazio e il tempo! Prima di concludere, dobbiamo fare una precisazione Oltre a quelli di tipo stellare, formati cioè in seguito al collasso gravitazionale di stelle massicce, esistono buchi neri anche altri di dimensioni molto maggiori, che stanno annidati nei nuclei delle galassie Le masse di questi buchi neri giganteschi sono dell’ordine di qualche centinaio di milioni di masse solari Per questo motivo vengono comunemente chiamati supermassivi Secondo le ultime teorie, tutte le galassie, inclusa la nostra Via Lattea, avrebbero un gigantesco buco nero al loro centro