Formazione Stellare

Tutte le stelle si formano per collasso gravitazionale della nube di polvere e gas che originariamente occupava la porzione di spazio destinata ad ospitare la "protostella" e forse anche un sistema planetario.

I meccanismi di collasso delle nubi che generano le stelle sono determinati da due fattori contrapposti che entrano in gioco cercando di prevalere l’uno sull’altro: l’energia potenziale gravitazionale e l’energia cinetica.

Se l’energia potenziale gravitazionale (G) prevale sull’energia cinetica (K) si avrà il collasso e la successiva formazione di una protostella, se esso non avviene la nube di gas continuerà a disperdersi inesorabilmente nell’universo. Quindi:

G > K → C'è Collasso

G < K → Non c’è collasso

Esprimendo questi termini in una forma algebricamente accettabile otteniamo:

Dove G è la costante di gravitazione universale, M è la massa della nube, R è il raggio della nube e V è la velocità media delle particelle che compongono la nube. Esplicitando adesso la relazione che ci fornisce la condizione del collasso in termini di massa otteniamo:

Da essa deduciamo che una nube per collassare deve possedere un massa maggiore del valore determinato dal secondo membro dell’espressione.

Questa relazione è stata successivamente sviluppata dall’astronomo americano Jeans che ricavò una forma molto più complessa influenzata da vari parametri aggiuntivi. Spesso nella letteratura astronomica si incontrano le relazioni di Jeans espresse in M_j o R_j (rispettivamente la massa e il raggio di Jeans). Esse funzionano nello stesso e identico modo: una nube collassa se la sua massa è superiore a M_j o se il suo raggio è superiore a R_j . Nel merito citiamo la relazione operante in termini di massa:

Dove T è la temperatura media della nube e n è la densità media di atomi per centimetro cubo, il tutto è espresso in multipli di masse solari.

Anche se le relazioni sopra riportate sono corrette e accettate entro un’ampia approssimazione la situazione reale è molto più complessa, infatti una nube di gas e polvere è influenzata anche dalla presenza di campi magnetici e moti turbolenti del gas da cui è costituita. In questo caso l’energia potenziale gravitazionale dovrà essere ancora più forte poiché dovrà prevalere sui contributi aggiuntivi appena citati.

Possiamo affermare che una nube collassa quando la sua massa supera valori critici maggiori di “x” M_sole (“x” volte la massa del Sole) ma questo valore x è estremamente variabile e fortemente influenzato dalla composizione chimico-fisica della nube. Valori molto variabili per la x vanno da centinaia di M_sole fino a migliaia di M_sole.

La prima struttura grezza che si forma dopo la fase di collasso presenta quella che viene definita una “protostella” circondata da un disco di accrescimento (che in futuro genererà i pianeti) composta principalmente da materiali più pesanti e dal gas rimanente derivato dagli strati più esterni della nube che non è stato catturato dalla protostella . Questo gas successivamente formerà, con molta probabilità, i pianeti gassosi, così come è avvenuto nel nostro Sistema Solare.

In questo disegno possiamo notare le principali fasi di collasso di una nube:

A) la nube è distribuita casualmente nello spazio;

B) si forma  un disco di accrescimento intorno a un “bulge” (ingrossamento) che contiene la futura stella;

C) la stella quasi totalmente formata è circondata dai protopianeti in fase di accrescimento;

D) si accendono le reazioni nucleari e la stella comincia il suo ciclo vitale, i pianeti hanno concluso il loro ciclo di formazione.

A livello puramente teorico le masse che le stelle possono raggiungere vanno da 100 masse solari fino a 0.08 masse solari. Questi valori estremi sono molto incerti e sono ricavati soltanto per via teorica studiando le condizioni di stabilità delle stelle. Nella realtà le stelle più grandi che sono state osservate si aggirano intorno alle 60 masse solari.

Bisogna precisare che i processi di formazione planetaria che si sono verificati nel Sistema Solare sono molto comuni nell’universo e quindi non sono da considerarsi una prerogativa esclusiva del nostro Sistema; è doveroso precisare questo concetto poiché esso è spesso affetto da preconcetti, assolutamente errati, di natura religiosa e/o filosofica. Quindi è assolutamente non irragionevole pensare che possano esistere altri pianeti in grado di ospitare la vita. Ovviamente essi dovrebbero soddisfare numerosi requisiti ma si stima che nell’universo esistano almeno 70.000 miliardi di miliardi di stelle (7 × 10²²), quindi le probabilità non sono trascurabili. Basta pensare che a tutt’oggi sono già stati individuati oltre 200 pianeti di tipo gioviano orbitanti intorno alle rispettive stelle. Molto presto sarà possibile individuare anche i pianeti di massa paragonabile a quella terrestre.

Durante la fase del collasso gravitazionale una nube di gas e polvere raccoglie energia e velocità. Questa energia convertendosi in calore fa incrementare enormemente la temperatura del nucleo della protostella.

Nei primissimi istanti della formazione la protostella è “trasparente” alla radiazione da essa stessa prodotta, ossia viene attraversata dalla radiazione perché la densità dei suoi strati è ancora bassa. In questa fase l’enorme calore prodotto negli strati più vicini al nucleo può essere irradiato nello spazio.

Quando la densità aumenta gli strati più esterni diventano “opachi” alla radiazione cominciando a trattenerla in modo tale da incrementare enormemente la temperatura del nucleo. Il processo va avanti fino a quando il nucleo raggiunge densità e temperature tali da innescare le reazioni di fusione termonucleare. La temperatura necessaria per innescare il ciclo PP (protone-protone) si aggira intorno ai 14-15 milioni di gradi Kelvin.

Da questo momento in poi la stella può essere collocata nel diagramma HR e riuscirà ad alimentare i suoi processi vitali per un tempo strettamente legato alla sua massa (tutte le considerazioni sulle fasi vitali sono contenute nella sezione "Diagramma di Hertzprung-Russell").

Le stelle non si trovano distribuite casualmente nell’universo ma tendono ad addensarsi in strutture molto più grandi che ne contengono mediamente centinaia di miliardi. Queste strutture enormi sono le galassie che a loro volta contengono altri piccoli aggregati di stelle che prendono il nome di ammassi. In particolare gli amassi globulari non sono propriamente contenuti nelle galassie ma si trovano nell’alone che contiene la galassia. Tutte le stelle sono divise in due gruppi fondamentali che sono denominati Popolazione I e Popolazione II, vediamone adesso le caratteristiche:

Popolazione I – Le stelle appartenenti a questa classe sono generalmente stelle giovani che si trovano nella regione del disco galattico, ossia nei bracci.

Popolazione II – le stelle appartenenti a questa classe sono in genere stelle vecchie che si apprestano a terminare il loro ciclo vitale, si trovano principalmente nel “bulge” (ingrossamento denso al centro delle galassie) e negli ammassi globulari.

E’ stata anche ipotizzata l’esistenza di una terza popolazione, la Popolazione III, a cui apparterrebbero le stelle che si sono formate qualche centinaio di milioni di anni dopo il Big Bang e che ovviamente hanno già terminato i loro cicli vitali da tempo. La Popolazione III è tuttavia una costruzione teorica, nessuna stella esistente oggi potrebbe appartenere a questa terza classe.