Sottoprodotti Stellari
Nane Bianche
Le Nane Bianche sono corpi estremamente densi e compatti
poiché la loro massa è paragonabile a quella del Sole ma hanno un raggio cento
volte inferiore. Le loro dimensioni sono paragonabili a quelle del nostro pianeta.
Sono corpi estremamente densi, un centimetro cubo di materia pesa milioni di
tonnellate e l’accelerazione gravitazionale superficiale si aggira intorno ai
7000 km/s2 (sulla terra vale 9,81 m/s2).
Si calcola che la stragrande maggioranza delle stelle si trasformerà in una
Nana Bianca poiché l’universo è molto ricco di stelle di bassa massa. La temperatura
superficiale di una Nana Bianca può oltrepassare i 10.000 gradi Kelvin, questo
oltre a spiegare la colorazione tendente al bianco, spiega anche il fatto che
questi corpi sono molto piccoli e conseguentemente poco luminosi. Ciò ha determinato
l’individuazione di una regione autonoma e distinta nel diagramma HR, ossia
la regione delle nane bianche caratterizzate da grandi masse e basse luminosità.
Le nane bianche sono quasi sempre contornate da quelle meravigliose strutture
anulari composte da gas e polvere che prendono il nome di nebulose planetarie,
un bellissimo esempio immortalato dall'Hubble Space Telescope
è disponibile in figura:
Nel corso di vita di una Nana Bianca tutta l’energia termica che è rimasta intrappolata nel nucleo viene irradiata nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche, questo processo determina il progressivo raffreddamento della stella che pian piano si trasformerà in una Nana Bruna. Si calcola che il tempo necessario per questa trasformazione sia più lungo dell'età attuale dell'universo, per questo motivo nessuna Nana Bruna può essere già stata generata. Una Nana Bruna è un corpo freddo e inerte che, teoricamente, dovrebbe rimanere immutato per l’eternità.
Stelle di Neutroni o Pulsar
Una pulsar, nome che stava originariamente per "sorgente radio pulsante", è una stella di neutroni rapidamente rotante intorno al proprio asse. Le dimensioni tipiche di questi corpi sono molto esigue dell’ordine di soli 25 km di diametro, ma la loro massa è superiore a quella del Sole tipicamente dell’ordine di 1.5 masse solari. Ne consegue che una quantità di materia così elevata concentrata in un volume così piccolo raggiunge densità inimmaginabili, dell’ordine di circa 1018 kg/m3. La materia come noi la conosciamo nelle stelle di neutroni non può sussistere proprio in relazione alla motivazioni appena citate. Le stelle di neuroni sono costituite sostanzialmente da un brodo di neutroni e altre particelle quali elettroni e protoni che stazionano totalmente slegati come in un fluido (estremamente denso) sottoposti a pressioni e temperature elevatissime. La grande rilevanza scientifica che hanno le pulsar è costituita dalla capacità di emettere un fascio di radiazioni, cioè pulsare, a intervalli perfettamente regolari e sincroni. Questa capacità deriva dal fatto che le pulsar emettono i due fasci di radiazione in corrispondenza dei poli magnetici che nella gran parte dei casi non corrispondono ai poli individuati dall’asse. Possiamo comprendere meglio la struttura delle pulsar dal disegno sottostante:
Il fascio di radiazioni emesso dalle pulsar (beamed radiation) è ricevibile dalla Terra soltanto quando, durante il suo continuo movimento rotatorio, si allinea ber brevissimo tempo alla direzione verso cui si trova la Terra. In altre parole il fascio emesso dalle pulsar è sempre costante nel tempo ma ci sembra pulsare solo perché lo riceviamo a intervalli regolari. Visto che il fascio che riceviamo corrisponde ad una rotazione intera della stella lungo l’asse ne consegue che la frequenza del segnale ricevuto corrisponde al numero di giri che la stella compie su se stessa sull’unità di tempo. Le pulsar sono stelle molto veloci, alcune di esse riescono a ruotare molte centinaia di volte al secondo. La pulsar più veloce osservata sinora ruota ben 642 volte al secondo. Questa grande velocità rotazionale deriva dalla conservazione del momento angolare esprimibile così in termini matematici:
M × V × R = costante
Senza addentrarci troppo in un discorso molto complesso possiamo affermare che tre due istanti temporali diversi il momento angolare, espresso dal prodotto della massa per la velocità per il raggio, si conserva cioè rimane costante. Ma nel momento in cui una stella di grande massa collassa il suo raggio da un valore enorme passa a quello piccolissimo di una pulsar. Anche la massa subisce numerose perdite ma ammettiamo per semplicità che essa rimanga costante. Ragionando sulla formula ci accorgiamo che se il raggio diminuisce, la massa rimane invariata e il prodotto deve rimanere costante non può che aumentare la velocità di rotazione della stella intorno al suo asse. Questo meccanismo costituisce il segreto delle pulsar.
Per renderci conto di questo meccanismo apparentemente lontano da noi possiamo
pensare alle pattinatrici sul ghiaccio nell’atto di compiere una piroetta. Molti
di voi avranno sicuramente notato che quando una pattinatrice chiude le braccia
mentre ruota fa incrementare visibilmente la sua velocità poiché la chiusura
delle braccia rappresenta in termini fisici una diminuzione del raggio. La sequenza
illustrata inferiore rappresenta il caso delle pulsar.
Le pulsar inoltre sono molto importanti perché si pensa che siano potenti sorgenti
di raggi-X e di neutrini. Nel 1940 gli scienziati Schönberg
e Gamow proposero una teoria per spiegare l’emissione così
massiccia di neutrini dal cuore delle supernove. Il processo denominato URCA
consiste nelle seguenti reazioni:
(Z, A) + e− → (Z -1, A) + νe
(Z - 1, A) → (Z, A) + e−+ ν’e
La reazione sopra riportata a prima vista può sembrare incomprensibile ma è più semplice di quanto si pensa. I numeri Z ed A definiscono in modo univoco un atomo caratterizzato da questi due numeri. Z equivale al numero di protoni mentre A corrisponde al numero di massa atomica cioè il numero di protoni più quello di neutroni presenti nel nucleo. Il primo passaggio ci dice che un atomo (con Z ed A univoci) si combina con un elettrone liberando l’atomo appena precedente nella tavola periodica cioè quello che ha un protone in meno più il famoso neutrino. Nel secondo passaggio l’atomo appena sintetizzato ritorna allo stato precedente liberando un altro elettrone e la particella rappresentata con il simbolo ν’e. Questa particella che ancora non abbiamo incontrato corrisponde all’antineutrino. Come dicevamo prima questi passaggi li abbiamo già incontrati quando abbiamo parlato dei processi di fusione ma ora li abbiamo incontrati nella forma generale all’apparenza più difficile. Per convincerci di questo prendiamo un passaggio a caso tra i tanti esaminati, ad esempio il secondo passaggio facente parte del ramo PP II.
7Be + e− → 7Li + νe
Come possiamo notare esso è esattamente equivalente a quello della formula generale (il litio viene prima del berillio nella tavola periodica). Analoghi esempi si possono citare per il secondo passaggio. Sintetizzando il tutto possiamo concludere dicendo:
1) I neutrini vengono prodotti in tutti i cicli di fusione che una stella intraprende nel corso della sua vita.
2) Una vera e propria pioggia di neutrini viene prodotta nelle esplosioni delle supernove; attualmente si sa ancora poco della dinamica che avviene in questo particolare momento conclusivo del ciclo di vita di una stella.
Buchi Neri
I buchi neri sono dei corpi molto particolari che destano l’interessa di una gran fetta di pubblico proprio in relazione alla grande confusine che ruota intorno a questi oggetti. I buchi neri sono oggetti estremamente massivi, quelli canonici hanno masse dell’ordine di 3-4 masse solari o superiori ma si è ipotizzato che nel centro delle galassie esistano buchi neri di massa pari a milioni di volte quella del Sole. Per queste ragioni la forza gravitazionale dei buchi neri è così alta che nessun oggetto che ha oltrepassato l’orizzonte degli eventi riesce a sfuggire, neanche la luce (chiariremo in seguito questo concetto). I buchi neri sono per definizione neri poiché la luce non riesce a sfuggire, indipendentemente dalla componente cromatica di cui sono costituite. Per capire meglio cosa sia un buco nero dobbiamo prima introdurre il concetto di raggio di Schwarzschild. Nel 1916 lo scienziato tedesco Karl Schwarzschild scoprì la soluzione esatta per risolvere il problema del campo gravitazionale intorno a stelle dotate di simmetria sferica. L’equazione da lui proposta permetteva di calcolare la velocità di fuga che un corpo deve avere per sfuggire al campo gravitazionale di un corpo in relazione alla sua massa e al suo raggio.
Come possiamo vedere la velocità di fuga v strettamente legata al raggio
R e alla massa M del corpo, G rappresenta la costante di gravitazione universale.
Ma se abbiamo detto che neanche la luce può sfuggire da un buco nero possiamo
sostituire alla velocità v la velocità della luce che vale c (300.000 km/s).
Questa operazione ci permette di ricavare il raggio dell’oggetto che si comporta
come un buco nero, come vedremo questo valore è molto importante e definisce
in modo univoco quali oggetti potranno comportarsi come tali.
L’equazione diventa:
Che esplicitata in termini di raggio R ci da:
Il valore di R appena trovato è molto importante, esso prende il nome di
raggio di Schwarzschild. Qualsiasi corpo che riesce a compattare tutta la sua
massa in un raggio minore del proprio raggio di Schwarzschild si trasforma in
un buco nero. Se verifichiamo la relazione appena trovata nel caso del Sole
e della Terra troveremmo che questi si comporterebbero come buchi neri se la
loro massa venisse compressa in un raggio rispettivamente di 3 Km per il Sole
e 9 millimetri per la Terra. In pratica qualsiasi corpo potenzialmente può trasformarsi
in un buco nero. La superficie sferica immaginaria che corrisponde ai punti
che si trovano ad una distanza pari al raggio di Schwarzschild dal centro formano
il cosiddetto “orizzonte degli eventi”. L’orizzonte degli eventi
corrisponde al limite invalicabile che può essere oltrepassato solo andando
verso il buco nero, ossia qualunque corpo o entità che lo oltrepassi non può
più tornare indietro, nemmeno la luce. Nei pressi di un buco nero la
distorsione spazio-tempo aumenta talmente tanto, per colpa dell’immensa
accelerazione gravitazionale, che il tempo stesso scorre più lentamente e, addirittura,
nei pressi dell’orizzonte degli eventi il tempo cessa di scorrere.
I buchi neri si formano per collasso gravitazionale di stelle massive che si
trovano in sistemi stellari binari o multipli. Questa evidenza empirica scaturisce
dal fatto che la maggior parte dei buchi neri assorbono ingenti quantità di
polvere e gas dalla stella compagna mediante trasferimento attraverso il disco
di accrescimento.
La materia sottratta alla stella compagna si mette a ruotare intorno al buco nero incrementando enormemente la sua temperatura e emettendo forti radiazioni nei raggi X. Lo studio dei raggi X provenienti dai dischi di accrescimento costituisce il metodo migliore per rilevare la possibile presenza dei buchi neri. Sebbene si è ipotizzato che nei nuclei galattici esitano buchi neri di massa pari a milioni di volte quella del Sole non si riesce a spiegare in maniera opportuna come questi corpi hanno potuto raggiungere dimensioni tali (anche perché una normale esplosione stellare produce buchi neri al massimo di massa compresa tra 3 e 10 masse solari). Alcune teorie suggeriscono che questi buchi neri nel corso di milioni e milioni di anni sono riusciti a inglobare la materia di centinaia di stelle che con il tempo li hanno fatti “crescere” fino alle dimensioni esorbitanti che abbiamo citato. Intorno ai buchi neri esistono numerose teorie fantasiose che non si basano su nessuna verità scientifica, dal canto nostro noi ci siamo limitati a citare i pochi dati certi di cui siamo in possesso, il resto spetta alla scienza. Qui di seguito riportiamo una tabella che espone i parametri fisici dei nove migliori oggetti candidati ad essere buchi neri:
| Oggetto | Locazione (cost) | Stella Compagna | Periodo Orbitale | Massa dell'oggetto |
|---|---|---|---|---|
| CygnusX-1 | Cygnus | O (supergigante) | 5.6 gg | > 3.8 Msole |
| LMC X-3 | Dorado | B3 (sequenza principale) | 1.7gg | ~ 10 Msole |
| V616 Mon | Monoceros | K (sequenza principale) | 7.75 ore | 10 ± 5 Msole |
| V404 Cygni | Cygnus | K (sequenza principale) | 6.47 gg | 12 ± 2 Msole |
| J1655-40 | Scorpius | F-G (sequenza principale) | 2.61 gg | 6.9 ± 1 Msole |
| QZ Vul | Vulpecula | K (sequenza principale) | 8 ore | 10 ± 4 Msole |
| 4U 1543-47 | Lupus | A (sequenza principale) | 1.123 gg | 2.7-7.5 Msole |
| V4641 Sgr | Sagittarius | B (supergigante) | 2.81678 gg | 8.7-11.7 Msole |
| XTEJ1118+480 | Ursa Major | K (sequenza principale) | 0.170113 gg | > 6 Msole |
