Evoluzione delle stelle

Inoltre sappiamo che il Sistema Solare, e quindi anche il Sole, ha una certa età. Non sono qui da sempre. È possibile misurare l'età delle rocce della Terra, e si trova che c'è un limite massimo. Le rocce più antiche della Terra hanno circa 4 miliardi di anni, e in base a misure della loro radioattività si può stimare che l'età della Terra sia attorno a 4,5 miliardi di anni. La stessa stima si ottiene dalle meteoriti e dalle rocce lunari, dunque si pensa che il Sole e il Sistema Solare si siano formati meno di 5 miliardi di anni fa. Il Sole ha quindi avuto un inizio e avrà una fine.

Anche le stelle sono sfere di gas come il Sole, e come il Sole hanno avuto un inizio e avranno una fine. Ma cosa accade tra i due eventi? È impossibile assistere all'intera evoluzione di una stella, e quindi dare una risposta diretta. Come hai visto, l'intera vita del Sole è di parecchi miliardi di anni. Però gli astronomi sono riusciti a dare una risposta per un'altra via, osservando le caratteristiche delle stelle che ci circondano. Anzitutto hanno schedato migliaia di stelle, registrando la loro temperatura, la loro luminosità e la loro composizione chimica. Poi hanno costruito dei modelli di stella e hanno seguito la loro evoluzione. Un modello di stella si costruisce prendendo una quantità di gas tipica e di composizione chimica tipica e facendolo evolvere grazie alle leggi fisiche e alla matematica che conosciamo. Per mezzo dei computer è possibile riprodurre l'intera vita di una stella con poche ore di calcolo. Il modello ci dà le caratteristiche della stella in diversi momenti della sua vita, e confrontandole con i dati che abbiamo registrato possiamo mettere le stelle nella `giusta' sequenza.

Per capire meglio puoi pensare ad un insetto. Un insetto non è in grado nella sua vita di vedere i cambiamenti delle persone. Però un insetto dotato di computer potrebbe farsi un modello di persona. Nel frattempo altri insetti avrebbero catalogato gli esseri umani, per esempio scattando delle foto e registrando dati come l'altezza, il colore dei capelli, la velocità nel muoversi, ecc. A questo punto le previsioni del modello direbbero in che ordine vanno messe le foto, dal più giovane al più vecchio.

Come nasce allora una stella? Si pensa che le stelle nascano all'interno di nubi di gas e polvere come quella che vedi. Questo è un particolare della nebulosa di Orione, dove il gas e la polvere sono illuminati dalle stelle che si stanno formando.

(La nebulosa di Orione. Cortesia O'Dell, Wong/Rice Univ./HST)

Il materiale contenuto in una nube molto più grande della futura stella si addensa verso il centro. Ripensa ora all'esperimento della scatola. La nube è come una scatola molto grande, e lentamente le sue dimensioni vengono ridotte. Questo significa che al centro della nube il numero di particelle aumenta. Inoltre le particelle che arrivano dall'esterno stanno cadendo con velocità maggiori di quelle che erano lì all'inizio. Al centro della nube aumenta quindi il moto di agitazione e il numero di particelle. L'esperimento della scatola ti dice allora che il materiale si riscalda e la pressione aumenta. Esse continuano ad aumentare finché non succede qualcosa. Ci sono 2 possibilità. Se il materiale iniziale è poco, ad un certo momento il moto di agitazione del gas riesce in ogni punto a bilanciare il peso della materia che gli sta sopra. Le particelle tentano di cadere ma vengono urtate da quelle sottostanti, per cui rimangono al loro posto. Si dice che l'oggetto è in equilibrio idrostatico. All'inizio la sfera di gas è quindi calda, e come hai visto un corpo caldo emette luce. La luce allontana energia dalla sfera sottraendola dal moto di agitazione delle particelle. Dunque la temperatura e la pressione diminuiscono. Pensa ancora all'esperimento della scatola. Se le particelle perdono velocità il peso riesce ad abbassare un po' il coperchio. Nel caso di una sfera di gas questo corrisponde ad una contrazione, cioè ad una riduzione del suo raggio. Con una temperatura più bassa emette poi meno luce. Il destino di questa sfera è quindi quello di spegnersi lentamente e ridurre le proprie dimensioni. Quando la pressione arriva a zero, nella scatola il peso riesce a schiacciare le particelle sul fondo. Nel caso della nana bruna questo non avviene, perché quando gli atomi del gas si trovano molto vicini entrano in gioco delle forze che non hai ancora incontrato. Ti basterà sapere che queste forze riescono alla fine a fermare la contrazione della sfera. Però il gas continua ad allontanare da sé l'energia sotto forma di radiazione. Fino a quando?

Per rispondere devi sapere che anche lo spazio vuoto contiene della radiazione, detta radiazione di fondo. Questa radiazione, come sempre, trasporta energia, quindi se viene assorbita da un corpo può trasferirla a lui. Ma la quantità di energia trasportata da questa radiazione è talmente debole che di solito non influisce sul contenuto complessivo dei corpi.

La nostra sfera di gas sarà però ad un certo punto talmente povera di energia che potrà assorbirla dalla radiazione di fondo e trasferirla alle proprie particelle. Questa energia minima è quella che avrà alla fine la nana bruna. Corrisponde ad una temperatura di circa -270 gradi.

Se invece la nube contiene abbastanza materiale, allora ad un certo punto gli urti tra le particelle del gas sono talmente violenti che iniziano le reazioni di fusione nucleare. La stella ha iniziato a produrre energia. E si assesta in un equilibrio come quello degli oggetti più piccoli, con in più una sorgente di energia al centro. La sorgente centrale è una vera salvezza per la stella. Infatti compensa le perdite di energia che hai visto nel caso della nana bruna, e le impedisce di raffreddarsi per un lunghissimo periodo.

Gli oggetti con una massa più grande di circa un decimo del Sole riescono a diventare stelle. Gli altri oggetti no. Avendo una massa relativamente piccola sono infatti sufficienti temperature e pressioni minori per tenerli in equilibrio.

Nel centro non si raggiungono quindi le condizioni necessarie all'innesco delle reazioni di fusione nucleare.

(Cortesia Palomar Observatory)

Qui puoi vedere uno di questi oggetti, accanto alla stella chiamata `Gliese 229' (i raggi che escono dalla stella sono un effetto del telescopio con il quale è stata presa l'immagine, non sono strutture vere della stella).

Vengono chiamati nane brune od oggetti gioviani. Giove infatti è molto più massiccio degli altri pianeti del Sistema Solare (ad esempio la sua massa è più di 300 volte quella della Terra) ma per essere una stella dovrebbe avere una massa 84 volte più grande di quella che possiede.

(Getti da una stella giovane. Cortesia Burrows/AZ State U./HST)

Grazie al telescopio spaziale Hubble, si sono ottenute immagini molto dettagliate di stelle appena nate, come quella che vedi qui.

La luce emessa dalla stella illumina il materiale che è rimasto attorno a lei, e in parte viene incanalata lungo due getti opposti. Il materiale relativamente freddo forma un disco. In questa immagine l'ombra scura al centro dei getti è il disco visto di taglio.

Dopo qualche tempo la fase violenta iniziale è terminata, e la stella appare come in questa immagine.

Il disco di gas e polvere si vede bene, ed oscura la stella al centro. Si pensa che il Sistema Solare sia nato da un disco come questo, e che un sistema di pianeti si possa formare solo assieme ad una stella. Quindi come vedi ci sono altri `sistemi solari' che stanno nascendo. Il nostro non è per niente un'eccezione dell'Universo.

L'Universo è composto per la maggior parte di idrogeno ed elio. Se tu potessi prelevare un po' del materiale di una stella ci troveresti circa tre parti di idrogeno, una parte di elio e tracce degli altri elementi chimici.
Dopo la nascita e per gran parte della propria vita le stelle vivono convertendo l'idrogeno in elio. Questo processo rilascia energia sotto forma di radiazione e produce delle particelle dette neutrini. Come sai, la radiazione trasporta l'energia da un corpo ad un altro. Quando una particella assorbe la radiazione è come se ricevesse una spinta, quindi si muove più velocemente. Nel centro di una stella la densità della materia è altissima, e la radiazione rimbalza da un atomo all'altro. La radiazione contribuisce quindi al moto di agitazione delle particelle. Questo moto di agitazione si trasmette costantemente dal centro della stella alla superficie. Contemporaneamente, a forza di successivi passaggi tra gli atomi, anche la radiazione riesce a raggiungere la superficie.

Dunque l'energia prodotta dalle reazioni nucleari al centro della stella contribuisce in parte al moto di agitazione di tutta la stella e in parte raggiunge la superficie sotto forma di luce. Il moto di agitazione delle particelle di gas a sua volta contrasta il peso degli strati esterni della stella.

Le stelle sono quindi sfere di gas e si dice che stanno in equilibrio idrostatico: la pressione dovuta al moto delle particelle controbilancia la tendenza a contrarsi dovuta alla gravità. Inoltre le stelle non accumulano energia. Tutta l'energia prodotta nel centro viene trasferita nel moto delle particelle del gas e nella luce che viene persa dalla superficie. In ogni punto della stella c'è un bilancio termico tra l'energia che proviene dall'interno e quella che esce verso l'esterno.

Eccoti ora un quiz. Ricorda la relazione massa-raggio-luminosità: una stella è tanto più luminosa quanto più è massiccia. Rifletti bene e rispondi.