E-school  di  Arrigo Amadori

Sintesi

Evoluzione stellare

Vediamo molto brevemente ed in sintesi come avviene la nascita di una stella e la sua successiva
evoluzione fino alla morte. La descrizione che riportiamo è solo approssimativa essendo la realtà,
come sempre, molto più complessa di ogni modello possiamo noi creare.

01 - Evoluzione stellare : nascita, vita e morte di una stella.

Una enorme nube (nebulosa) costituita prevalentemente di idrogeno (l'elemento più diffuso
nell'universo) comincia a comprimersi grazie alla forza gravitazionale (sempre attrattiva) fra
gli atomi che la compongono.

Comprimendosi, la nube diviene sempre più densa e calda. Gli atomi di idrogeno, scaldandosi
sempre più (la temperatura è legata alla energia cinetica degli atomi, ovvero al loro grado di
agitazione) cominciano ad urtarsi con maggiore energia.

Ad un certo punto, a causa degli urti sempre più energetici, gli elettroni si staccano dagli atomi
di idrogeno e si forma un plasma (stato di aggregazione della materia in cui nuclei ed elettroni
sono mescolati in una specie di gas caldissimo).

A causa della gravitazione la nube diventa sempre più densa e calda ed ad un certo punto i
protoni cominciano ad urtarsi con sempre maggiore forza ed a raggiungere distanze relative
molto piccole. Riescono allora, a causa dell'enorme agitazione termica (energia) che possiedono,
a vincere le forze di repulsione elettriche che a distanze sempre più piccole diventano sempre
più grandi (inversamente proporzionali al quadrato della distanza).

Quando le distanze fra i protoni diventano più piccole di un certo valore critico, "scattano"
le forze nucleari.

La forza nucleare fra protoni fa sì che da nuclei di idrogeno si formino nuclei di elio. Questa
reazione si chiama fusione nucleare.

La reazione nucleare di fusione dell'idrogeno che avviene in una stella può essere così simbolicamente
indicata (in effetti è molto più complessa, ma a noi interessa capire il fenomeno a grandi linee) :

1 deuterio  + 1 deuterio ===> 1 nucleo di elio + energia .

La reazione per la creazione dell'elio a partire dall'idrogeno ha una fondamentale caratteristica.
La massa di un nucleo di elio prodotto è lievemente minore della massa dei quattro nucleoni
che l'hanno formato.

Secondo il principio di conservazione della massa e dell'energia, se in una reazione si perde
massa essa si deve trasformare in energia.

L'energia che si libera in questa reazione è data dalla nota formula di Einstein :

E = m c ²

Sappiamo già (vedi precedente resoconto) che la produzione di energia dalla fusione nucleare è
enorme.

La stella così si "accende" emettendo una enorme quantità di energia sotto forma di radiazione
elettromagnetica (di tutti i tipi, dalle frequenze radio ai raggi gamma) e di particelle (per il nostro
sole, è il cosiddetto vento solare).

La stella raggiunge allora l'equilibrio e cessa di comprimersi perché la pressione verso l'esterno
prodotta dalla fusione nucleare controbilancia la forza gravitazionale che tenderebbe a farla
comprimere su se stessa indefinitamente.

Ma l'idrogeno che costituisce il "combustibile", trasformandosi in elio, prima o poi si esaurisce.

Dopo milioni o miliardi di anni (a seconda della sua massa) una stella è destinata a morire.

Avvengono allora tutta una serie di trasformazioni che portano la stella a diversi destini e ciò in
dipendenza della sua massa.

Schematizzando enormemente, si ha che se una stella è più leggera di una certa massa critica
(circa 7 masse solari) una stella diventa prima una gigante rossa e poi una nana bianca rimanendo
tale fino alla sua completa morte.

Per le stelle di questo tipo, dopo che si è bruciato tutto l'idrogeno, si comincia a bruciare l'elio
creando i nuclei fino al carbonio. A questo punto la stella, divenuta una nana bianca, sarà
costituita da carbonio e così lentamente si spegnerà.

Il nostro sole avrà questo destino !!! Nella fase precedente di gigante rossa diventerà così grande
e caldo da inglobare e distruggere almeno i pianeti più vicini (compresa, ahimè, la nostra terra).

Per le stelle dell'altra categoria (quelle con massa maggiore della massa critica) l'evoluzione è molto
più eclatante. Esse diventeranno giganti rosse e poi, esplodendo con una immane esplosione, (fase
di supernova) diventeranno o stelle di neutroni o buchi neri.

Durante la fase di gigante rossa, verranno creati dalle enormi temperature anche gli atomi fino al ferro.
Gli atomi più pesanti del ferro, però non possono essere creati in quella fase. Non vi è energia sufficiente.

Quando tutta la materia si è trasformata in ferro, non vi è più nulla da bruciare (non vi è energia sufficiente
per fondere (nuclearmente) il ferro e creare atomi più pesanti). A questo punto la stella "crolla su se stessa"
non essendo più la gravità controbilanciata dal calore prodotto dalla fusione nucleare.

Si ha così la creazione di una supernova con una immane esplosione. In pochi istanti tutta la massa della
stella collassa drammaticamente con emissione di grandi quantità di materia ed energia. Una supernova
è addirittura visibile in pieno giorno !!! (si ricordino le varie testimonianze storiche fra cui l'ultima , quella
di Tycho Brahe del 1572).

Durante l'esplosione che caratterizza la creazione di una supernova vengono messe in gioco energie così
alte (si tratta dei fenomeni energetici più intensi conosciuti) tali da produrre i nuclei più pesanti del ferro.

Abbiamo visto allora che i diversi tipi di atomo vengono creati a partire dall'idrogeno in quelle enormi fucine
che sono le stelle. Possiamo affermare quindi che veramente noi "siamo figli delle stelle" !!!

Sorge allora una domanda inquietante. Come è possibile che qui sulla terra esistano gli elementi più
pesanti del ferro quando il nostro sole non è in grado di produrli (appartenendo esso alla prima
categoria di stelle) ?

La risposta è che, probabilmente, la nebulosa da cui si è generato il sole (e con esso il sistema solare)
è stata "inseminata" dall'esplosione di una supernova che era nelle sue vicinanze.

02 - Stelle di neutroni (pulsar) e buchi neri.

Quando una stella massiccia (del secondo tipo) muore, una sua parte, dopo l'esplosione che produce
la supernova, si trasforma in un nucleo densissimo di neutroni.

Se, infatti, gli elettroni si fondono con i protoni, si ottengono neutroni. Quindi, in certe condizioni
di pressione, la materia si trasforma in neutroni estremamente addensati. Tutta la massa di una
stella si riduce così in una "palla" di pochi chilometri di raggio !!!

E' così che si forma una stella di neutroni.

Se poi, la densità di questa materia supera un certo valore, si ha un fenomeno che ha dell'incredibile.
Si ha la formazione di un buco nero che, secondo la teoria della relatività generale di Einstein,
incurva così tanto lo spazio intorno a sé da far sì che nemmeno la luce ne possa più uscire (da qui il nome).

Fine.

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