Le proprietà delle stelle

Il Sole, dunque, non è che una stella come tutte le altre, solo che si trova molto più vicina a noi. Esso è una sfera di gas caldissimo, che emette energia a spese della propria massa.
Infatti, come abbiamo visto, nell'interno della nostra stella la temperatura è altissima: gli atomi del gas che formano il Sole si muovono rapidamente e si urtano con violenza; in questi urti, talvolta, due o più atomi si fondono tra loro formando un atomo più grande. La massa di quest'atomo è leggermente inferiore alla somma delle masse degli atomi che lo hanno formato: la massa mancante è stata trasformata in energia.

In questo processo, detto fusione nucleare, viene rilasciata energia sotto forma di radiazione. Nel disegno qui sotto puoi vedere schematicamente che cosa succede. Le sfere rosse rappresentano i protoni (particelle con carica elettrica negativa), mentre quelle blu i neutroni (particelle che hanno circa la stessa massa dei protoni, ma prive di carica elettrica).

Quattro protoni si uniscono per formare un atomo di elio; due dei protoni si trasformano in neutroni, emettendo ciascuno due particelle che si chiamano neutrino e positrone. Inoltre, nella reazione viene emessa energia sotto forma di radiazione.

Finora abbiamo detto che le stelle sono enormi sfere di gas. Ma quanto sono grandi ? E quanto gas contengono ?
Ci sono stelle più o meno grandi e massicce. In realtà non è possibile misurare con precisione né il raggio né la massa di una stella, ma se ne può dare una stima approssimativa.

Il Sole, per esempio, ha una massa di due miliardi di miliardi di miliardi di tonnellate ! Al suo interno, ogni secondo ben 4 milioni di tonnellate di idrogeno vengono trasformati in energia. Si tratta di una massa enorme, eppure piccolissima in confronto alla massa di gas ancora disponibile: il Sole ha al suo interno materia sufficiente per bruciare ancora per qualche miliardo di anni.

Il nostro Sole non è nemmeno una delle stelle più grandi. Ci sono stelle che hanno una massa 100 volte maggiore ! Le stelle più piccole, invece, hanno una massa circa 10 volte inferiore a quella del Sole.

Tutte le stelle hanno una massa compresa tra questi due limiti. Le loro proprietà (luminosità, temperatura alla superficie, colore) variano a seconda della massa. Una stella più massiccia è anche più luminosa, e viceversa.

Vuoi sapere come si determina la massa di una stella ? Leggi QUI.

Anche le dimensioni delle stelle variano, ma non necessariamente una stella più massiccia ha anche una dimensione maggiore. La dimensione dipende infatti anche dalla sua densità.
Il Sole ha un raggio di 700mila chilometri, poco meno del doppio della distanza tra la Terra e la Luna. Le stelle più grandi hanno diametri poche centinaia di volte quello del nostro Sole. Le più piccole, invece, di pochi centesimi.
Per esempio, la stella Antares ha un diametro di circa 400 volte quello solare, mentre la stella Arturo di circa 27 volte. Puoi vedere le loro dimensioni nella figura qui sotto.

In realtà, queste sono stelle particolari, chiamate giganti rosse per le loro notevoli dimensioni e per il loro colore rosso-arancio. Le incontreremo ancora più avanti.
Anche le stelle più piccole sono di un tipo particolare, le cosiddette nane bianche; esse sono molto compatte e calde, ma poco brillanti. Anche di queste parleremo in seguito.

La maggior parte delle stelle "normali", invece, hanno dimensioni che vanno da qualche decimo a qualche decina di volte quelle del Sole.

Le dimensioni delle stelle forse ti sembrano enormi e magari pensi che, a causa delle loro dimensioni, esse siano molto vicine una all'altra. In realtà il diametro di una stella è di molto minore della sua distanza rispetto alle stelle vicine. La distanza tra due stelle è in media 90 mila miliardi di chilometri, qualche decina di migliaia o anche milioni di volte il loro diametro !
Talvolta però, due o più stelle vicine si riuniscono in sistemi doppi o multipli.

Lo spazio tra due stelle è quasi vuoto: in realtà, tra una stella e l'altra ci sono nubi di gas e di polvere, più o meno dense. Queste prendono il nome di materiale (o "mezzo") interstellare. Il gas è composto principalmente di idrogeno, con tracce di altri elementi. La polvere invece è composta degli elementi pesanti (silicio, grafite, ecc..) presenti nello spazio, condensati in minuscoli grani.
Le nubi sono molto dense rispetto allo spazio vuoto, che ha una densità di appena un atomo per centimetro cubo ! La loro densità varia da 10 a 10 milioni di atomi per centimetro cubo: quindi le nubi interstellari sono estremamente rarefatte rispetto all'atmosfera terrestre, che ha una densità di decine di miliardi di miliardi di atomi per centimetro cubo ...
Queste nubi di gas e polvere, quando si trovano tra noi ed una stella, assorbono una parte della sua luce, offuscandola. Gli astronomi devono tener conto di questo fatto quando vogliono misurare la brillantezza di una stella.

Tra le varie proprietà che caratterizzano una stella esistono spesso delle relazioni. Per esempio, al crescere della massa di una stella "normale" crescono sia il raggio che la luminosità. Questo fatto è abbastanza facile da capire.
Una stella, infatti, è una struttura gassosa, di forma sferica ma non omogenea. Essa si può pensare come una specie di "cipolla", cioè una struttura a strati. In ogni strato, la temperatura, la pressione e la densità del gas hanno un valore ben preciso, ma diverso da quello degli altri strati. Andando verso il centro della stella, aumentano sia la temperatura che la densità e la pressione.

Nella stella la pressione degli strati esterni (che "pesano" su quelli più interni) è equilibrata dalla maggior pressione che il gas possiede nel centro. Inoltre, il peso degli strati esterni è contrastato dall'energia della radiazione che viene prodotta nel nucleo più interno, quello dove avvengono le reazioni di fusione nucleare. La stella si aggiusta cioè in uno stato di equilibrio. Se aggiungessimo ancora gas alla stella, la pressione aumenterebbe al suo interno. La stella dovrebbe allora cambiare il proprio stato di equilibrio, e lo potrebbe fare solo variando il suo raggio. Questo è il motivo della relazione tra massa e raggio nelle stelle.

Tanto più massiccia è la stella, tanto maggiore è dunque la pressione al suo interno. Ciò implica anche temperature più alte nel centro. Un'alta temperatura facilita la fusione dei nuclei atomici e quindi la produzione di energia. Di conseguenza, in una stella massiccia la produzione di radiazione avviene con maggiore efficienza che in una stella più piccola.
Da qui deriva la relazione tra massa e luminosità di una stella: la luminosità L aumenta con la massa M secondo una legge di potenza del tipo

L = M^x

dove x è un numero compreso fra 3 e 4.

I colori delle stelle

Una delle proprietà che possono differenziare una stella dall'altra è il suo colore. Il colore di una stella è determinato dalla banda di lunghezze d'onda nella quale la stella emette la maggior parte della radiazione.
Ricorderai che certe sorgenti di luce, come i metalli incandescenti, hanno un colore che dipende dalla loro temperatura. Inoltre, esse non emettono soltanto luce visibile, ma anche radiazione ultravioletta, infrarossa, ecc...
Anche le stelle hanno colori e temperature diverse. Tanto più alta è la temperatura superficiale, tanto minore è la lunghezza d'onda alla quale la stella emette il massimo della radiazione.

Vuoi capire meglio il concetto di "colore" di una stella ? Se ne hai la possibiltà, procurati alcune diapositive di gruppi di stelle (magari da un amico appassionato di astronomia) e dei filtri colorati, come quelli che usano i fotografi professionisti. Con un proiettore, guarda le diapositive sovrapponendovi di volta in volta un filtro di diverso colore. Osserva come cambia la luminosità delle varie stelle. Ce ne saranno alcune che risultano più brillanti se osservate attraverso il filtro rosso, mentre altre lo saranno con il filtro blu o giallo. Parleremo allora di stelle "rosse", "blu" o "gialle".

Le stelle più calde raggiungono anche 100mila gradi di temperatura, mentre le più fredde "soltanto" 2-3.000 gradi. Le prime emettono soprattutto luce blu o ultravioletta, le ultime per lo più luce di colore rosso scuro. Nella tabella qui sotto puoi vedere come varia il colore di una stella al variare della sua temperatura superficiale.

Anche i corpi del Sistema Solare che non emettono luce visibile, dei quali avevamo detto che non sono sorgenti di luce, in effetti producono una radiazione, ma poiché hanno poca energia (bassa T), la luce da loro prodotta ha lunghezza d'onda molto grande e non è rivelabile dall'occhio umano. (esempio: anche tu emetti nell'infrarosso) mentre le stelle emettono anche nell'ottico, oltre che in altre bande

Abbiamo imparato alcune cose riguardo alle proprietà delle stelle. Molto ci resta ancora da scoprire.

Prova ora a rispondere ad una domanda, ma stai attento: non è molto facile...
Guarda queste due stelle: che cosa distingue la stella A dalla stella B ?