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La curiosità del mese

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Collasso!

La curiosità del mese di novembre 2011 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Jared Diamond
Fig. 1 - Jared Diamond.
Fig. 2 - Immagine artistica che rappresenta l’evoluzione di una stella in funzione della sua massa.
Fig. 2 - Immagine artistica che rappresenta l’evoluzione di una stella in funzione della sua massa.

Jared Diamond ha scritto un libro, intitolato "Collasso", che descrive come alcune civiltà ricche e fiorenti del passato si sono estinte, spesso in pochissimo tempo e spesso in modo misterioso. Sono "collassate". Ebbene, anche le stelle, come le civiltà antiche, possono collassare, e farlo in pochissimo tempo, dopo una vita di splendore.
È un po’ paradossale, ma sappiamo addirittura di più del collasso delle stelle di quanto possiamo conoscere e ipotizzare del collasso delle civiltà antiche.
Nella puntata precedente (vedi curiosità di settembre) abbiamo visto quello che succederà al nostro Sole, quando giungerà la sua ora (tra 5 miliardi di anni). Questa volta invece andiamo a vedere quello che succede a stelle più grandi del nostro Sole.
Più la stella è pesante e meno vive - La prima cosa da sapere è che più una stella ha massa, e più la sua vita diventa intensa e brillante, ma breve. Se il Sole vive 10 miliardi di anni, una stella dalla massa doppia vive 1,8 miliardi di anni. Una stella che ha una massa 10 volte quella del Sole vive "solo" una trentina di milioni di anni. Questo perchè più la stella ha massa, e più velocemente brucia il suo combustibile: anche se parte con un serbatoio più grande, brucia così velocemente da vivere di meno.


Fig. 3 - Struttura a ''cipolla'' di una stella molto piu' pesante del nostro Sole, poco prima del suo collasso. Il centro contiene nuclei di ferro (Fe), circondati da un guscio di nuclei di silicio, a loro volta circondati da un guscio di ossigeno (O), neon (Ne), carbonio (C), elio (He) e idrogeno (H).
Fig. 3 - Struttura a "cipolla" di una stella molto più pesante del nostro Sole, poco prima del suo collasso. Il centro contiene nuclei di ferro (Fe), circondati da un guscio di nuclei di silicio, a loro volta circondati da un guscio di ossigeno (O), neon (Ne), carbonio (C), elio (He) e idrogeno (H).

Il nucleo brucia - Supponiamo che una stella abbia all’incirca 8 volte la massa del Sole. Data la maggiore gravità, al suo centro si sviluppano temperature e pressioni enormi, che aiutano le reazioni termonucleari ad avvenire più in fretta, ed in breve tutto l’idrogeno che la stella aveva nel suo nucleo si trasforma in elio. Ma le reazioni, per una stella così massiccia, continuano, e l’elio si trasforma in carbonio, mentre anche gli strati più esterni, che prima non bruciavano, adesso raggiungono una temperature sufficiente per poter bruciare il loro idrogeno.
Infatti al centro della stella, dove l’elio si trasforma in carbonio, si raggiungono i 100 milioni di gradi. Un inferno? Si, ma c’è di peggio.

Fig. 4 - Una stella massiccia come appare nel suo ultimo giorno di vita. Attorno al nucleo centrale della stella, che ha la struttura illustrata nella figura precedente, ci sono gli strati esterni (principalmente fatti di idrogeno). Questi strati dapprima precipiteranno verso il centro, e poi rimbalzeranno contro la superficie dura della stella di neutroni, accelerando verso l’esterno fino a raggiungere velocita' di qualche migliaio di km al secondo. Nascera' cosi' una Supernova.
Fig. 4 - Una stella massiccia come appare nel suo ultimo giorno di vita. Attorno al nucleo centrale della stella, che ha la struttura illustrata nella figura precedente, ci sono gli strati esterni (principalmente fatti di idrogeno). Questi strati dapprima precipiteranno verso il centro, e poi rimbalzeranno contro la superficie dura della stella di neutroni, accelerando verso l’esterno fino a raggiungere velocità di qualche migliaio di km al secondo. Nascerà così una Supernova.

L’inferno dentro - Infatti, dopo un po’ di tempo, tutto l’elio del nucleo si è trasformato in carbonio. Il nucleo, non più sostenuto dalla pressione, si contrae un po’, fino a raggiungere il mezzo miliardo di gradi. E a questo punto brucia il carbonio, che forma nuclei di neon. Appena fuori da questo forno (cioè negli strati immediatamente superiori) si riesce a bruciare l’elio, e appena sopra si riesce a bruciare l’idrogeno. Comincia a delinearsi una struttura a cipolla, con tanti strati che bruciano combustibili diversi, più pesanti nel centro e più leggeri un po’ al di fuori. Gli eventi, intanto, incalzano, e le cose diventano sempre più veloci. Adesso non mancano più miliardi o milioni di anni, ma un migliaio di anni alla fine.
Stella a cipolla - La stella riesce a fare ancora un sacco di cose in questo poco tempo. In breve, anche tutto il carbonio del nucleo si esaurisce. È la volta del bruciamento del neon, che si trasforma in ossigeno. Nel frattempo gli strati esterni bruciano le scorie che sono rimaste dai bruciamenti precedenti: la stella diventa una cipolla, come si vede in figura ... La temperatura intanto è salita a circa due miliardi di gradi. Abbastanza da fondere due nuclei di ossigeno che formano un nucleo di silicio. E così via, fino alla formazione del ferro.
Il ferro non brucia - Il ferro è diverso dagli altri nuclei. Per "bruciare" ha bisogno di energia. Quindi, se bruciasse, invece di scaldare farebbe diventare il nucleo più freddo. E questo fa iniziare il collasso: il nucleo della stella non è più sostenuto dalla pressione sufficiente per resistere a tutto il peso degli strati superiori: il nucleo si restringe, senza essere più contrastato da nuove reazioni termonucleari.

Fig. 5 - La nebulosa del Granchio, che e' quello che resta dell’esplosione di una Supernova avventua nel 1054 e registrata da astronomi cinesi.
Fig. 5 - La nebulosa del Granchio, che è quello che resta dell’esplosione di una Supernova avventua nel 1054 e registrata da astronomi cinesi.

Collasso! - Il nucleo collassa, collassa, e nel frattempo quasi tutti i protoni dentro ai nuclei di ferro diventano neutroni. è come se si formasse un nucleo solo, enorme, fatto di soli neutroni. La stella è diventata una stella di neutroni. Se la massa iniziale della stella è minore di circa due dozzine di masse solari il collasso si ferma quando il raggio diventa una decina di chilometri.
Lo "spazio vitale" dei neutroni - Ai neutroni l’affollamento esasperato non piace. Cercano di tenere le distanze, e nel farlo sviluppano una pressione. è questa pressione che ferma il collasso. Una massa enorme, più di quella del nostro Sole, concentrata in una sfera di una decina di chilometri di raggio ...

Fig. 6 - L'unica supernova scoppiata in tempi recenti vicino alla nostra Galassia. Era il 23 Febbraio 1987. Le due fotografie fanno vedere l'improvviso aumento del flusso.
Fig. 6 - ’unica supernova scoppiata in tempi recenti vicino alla nostra Galassia. Era il 23 Febbraio 1987. Le due fotografie fanno vedere l’improvviso aumento del flusso.

Il rimbalzo - Il nucleo è il primo a collassare, e lo fa più velocemente degli strati esterni, che quindi si sentono mancare "la terra sotto i piedi". Anche loro cadono nel vuoto, acquistando velocità. Alla fine si schiantano contro la superficie dura della stella di neutroni, e l’urto scatena una quantità prodigiosa di energia, che li fa rimbalzare.
Supernova! - Il rimbalzo è così efficiente da far accelerare qualche massa solare verso l’esterno, fino a velocità di qualche migliaio di km al secondo. È nata una supernova. L’energia in gioco è così grande che se scoppiasse a un migliaio di anni luce da noi la potremmo vedere in pieno giorno (e qualche volta è successo! Ma molti anni fa ...).
Una calamita gigante - La neonata stella di neutroni è anche una calamita gigante, con un campo magnetico mille miliardi più forte di quello terrestre (o solare).
Una super-trottola - Oltre ad essere fortemente magnetica, la neonata stella di neutroni gira su stessa circa mille volte al secondo, facendo ruotare anche il campo magnetico ad essa collegato. Questo fa sì che la stella di neutroni emetta come un faro: se noi siamo nel cono di luce di questo faro, allora vedremo degli impulsi di luce arrivarci "ad ogni giro", vedremo quindi una stella pulsante - una pulsar.
Buchi neri - E se la stella, all’inizio, avesse circa due dozzine o più di masse solari? Allora la storia sarebbe più o meno uguale fino agli ultimi istanti. Però in questo caso neanche la claustrofobia dei netroni riuscirebbe a resistere contro il peso degli strati esterni. Il nucleo inesorabilmente collasserebbe di più, diventerebbe sempre più compatto, sempre più compatto. Fino a scomparire in un buco nero.

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