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21/10/13

Cos’è una stella

Dopo essere nato, l’Universo non ha perso tempo e si è dato da fare per creare la materia necessaria alla formazione delle prime stelle. A questo punto, esse sono diventate le uniche creature macroscopiche, realmente vive del Cosmo. Tutto ciò che esiste si deve praticamente a loro. Questo articolo è il primo di una una serie che vuole dare una visione elementare delle basi dell'astrofisica. E' adatta ai neofiti e ai ragazzini.

Iniziamo la descrizione dell'Universo attraverso il suo attore decisamente più importante e da cui dipendono tutti gli altri: la stella.

Un po’ di storia  antica

Le stelle sono le dominatrici dell’Universo. Sono loro che hanno dato origine a tutto ciò che esiste, uomini compresi. Descriviamone brevemente la storia.

Dopo l’inizio di tutto (il cosiddetto Big Bang) uno strano miscuglio di particelle elementari non ben definibili ha rapidamente iniziato a interagire e a formare i costituenti base della materia, ossia di tutto ciò che è percepibile con i nostri sensi. La materia ha bisogno di un luogo dove esistere e quindi di pari passo con lei si è anche creato lo Spazio che può contenerla. Uno Spazio che cresce sempre di più e che ancora oggi sta allargandosi.

Le particelle estremamente piccole nate col Big Bang si sono date delle regole da seguire per svolgere le proprie azioni: sono quelle che oggi chiamiamo “forze”. Anzi, le forze stesse inviano i loro comandi all’interno della materia attraverso altre particelle. Insomma, un insieme di corpuscoli piccolissimi che hanno avuto uno spazio enorme in cui vivere e trasformarsi. Le particelle non sono ancora in grado di definire qualcosa all’interno dello Spazio, essendo tutte uguali tra loro all’interno di certe tipologie.

Quelle che più ci interessano per introdurre le stelle sono i protoni, i neutroni e gli elettroni. Tre tipi di particelle che unendosi assieme sono riuscite a formare il primo atomo. A seconda del numero di protoni che sono presenti nel suo nocciolo più interno, la materia ha assunto un’identità ben precisa. Gli atomi sono perciò la prima costruzione della Natura che mostra una chiara differenza rispetto alle altre.

Facciamo un semplice esempio: i mattoni che si usano per costruire un edificio sono tutti uguali tra loro, ma gli edifici possono avere caratteristiche e utilizzo completamente diversi: una chiesa, una scuola, un albergo, una casa d’abitazione, una fabbrica, ecc., ecc. Nell’Universo i mattoni sono le particelle che compongono gli atomi. Gli atomi sono gli edifici finali. Nel Cosmo esistono 92 tipi di edifici che vengono chiamati elementi chimici (il loro numero non è ancora oggi ben stabilito). In altre parole, i mattoni sono formati solo da protoni, neutroni ed elettroni (queste particelle sono quelle che sono, ovunque si trovino), mentre gli edifici finali sono almeno 92. Essi, come già detto, si diversificano tra loro sulla base di quanti protoni esistono nella parte più interna dell’atomo corrispondente. L’atomo dell’elemento più leggero contiene un solo protone e si chiama idrogeno. Quello con due protoni si chiama elio, quello con tre ha il nome di litio.

Ci possiamo fermare qui, dato che il Big Bang e le successive interazioni tra le particelle che si sono formate non  sono potute andare più in là. Diciamo perciò una frase da tenere bene a mente e che ci dà una prima idea dell’importanza fondamentale delle stelle: “Il Big Bang è riuscito a creare solo moltissimi atomi di idrogeno, molti meno di elio e poche tracce di litio. Poi si è fermato, dato che la sua fabbrica non poteva procedere oltre”.

Sono passate poche centinaia di milioni di anni dall’inizio di tutto, ma a questo punto è necessario che il Big Bang, e tutte le particelle che sono state create da lui molto rapidamente, trovino un valido aiuto per giungere fino alla realtà che ci circonda. Si è dovuto “inventare” qualcosa di straordinario e di molto efficiente per continuare il lavoro di creazione e arrivare all’Universo di oggi con i suoi 92 elementi chimici. Nelle condizioni raggiunte, lo Spazio contiene al suo interno solo due elementi: moltissimi atomi di idrogeno, l’elemento più leggero, e una ben minore quantità di elio (il litio è talmente poco che il suo aiuto è praticamente trascurabile e assiste indisturbato alla rappresentazione teatrale): deve arrangiarsi con quello che ha.

Tanto idrogeno e una sola forza

Gli atomi di idrogeno vagano nell’immenso Spazio che li contiene e che continua a ingrandirsi. Se rimangono così lontani tra loro possono creare ben poco di nuovo e l’Universo rimane pressoché lo stesso per sempre. Fortunatamente, esiste una forza eccezionale che agisce anche a grande distanza: la forza di gravità. Tutto ciò che ha una certa massa (e l’atomo di idrogeno, anche se piccola, ce l’ha)  attrae verso di sé un’altra massa. Alcuni atomi si sono messi assieme sfruttando questa forza, aumentando la propria massa e catturando più facilmente altri atomi che gli girano intorno. Più crescono e più forte è la forza che esercitavano sugli atomi ancora vagabondi o su piccoli gruppi di loro. Dove prima c’era un gas di idrogeno molto rarefatto si comincia ad avere una nube sempre più densa e spessa. E più la nube cresce e più idrogeno cattura.

Nel frattempo, però, la gravità costringe gli atomi della nube a stringersi sempre più tra di loro, in una folle corsa verso il centro. La densità (il numero di atomi contenuti in un certo pezzettino di spazio) aumenta incredibilmente e così anche la temperatura. Nel giro di un tempo molto breve rispetto all’orologio dell’Universo, lo Spazio si riempie di nubi scure, contenenti ciascuna un numero incredibile di atomi di idrogeno (e anche un po’ di elio e magari qualche traccia di litio).

Se all’esterno tutto sembra tranquillo, non succede lo stesso nella parte più centrale della nube. Lì fa  veramente caldo e arrivavano continuamente nuovi atomi trasportati dalla reciproca forza di gravità. Lo spazio non basta più e gli atomi si schiacciano letteralmente gli uni contro gli altri. Non si può,  certo, continuare in questa maniera: prima o poi gli stessi atomi si distruggerebbero e libererebbero le particelle di cui sono composti. Meno male che forze molto più potenti della gravità riescono a tenerle assieme, ma… per quanto tempo ancora? E’ necessario passare al contrattacco.

Bisogna inventarsi qualcosa che si opponga alla forza di gravità. Essa è stata fondamentale per creare una nube così densa in uno Spazio che vedeva solo atomi vaganti, ma adesso sta esagerando! Non si pretende certo di eliminarla (è troppo utile), ma almeno di fronteggiarla e di stabilizzare la situazione.

Queste nubi così dense, in balia della forza di gravità che le sta schiacciando sempre di più, e che ruotano vorticosamente su se stesse a seguito degli urti che sono avvenuti tra gruppi di atomi, non sono altro che le future stelle. Stanno nascendo le dominatrici dell’Universo.

Si accende il motore

Queste stelle in gestazione non hanno certo tempo per deliziarsi della loro futura importanza. Hanno altro a cui pensare. Meno male che la temperatura interna, ormai elevatissima, viene loro incontro. In queste condizioni di temperatura e di pressione, gli atomi possono anche abbassare alcune delle loro barriere protettive (le forze che li tengono uniti) e agire insieme per un solo scopo finale.

Quattro atomi di idrogeno, particolarmente valorosi e un po’ fortunati, lavorando inizialmente a coppie separate, riescono, attraverso una delicata operazione di trasferimento di protoni, a unirsi per formare un solo atomo di elio. Un atomo di elio non diverso da quelli costruiti dallo stesso Big Bang, ma questa volta il risultato ha una sua particolarità essenziale. Insieme alla formazione dell’atomo dell’elemento immediatamente più pesante (l’elio) i quattro atomi di idrogeno producono anche altre particelle microscopiche e molto strane. Una fra tutte: il fotone, ossia il messaggero della luce. Esso era già nato nel Big Bang, ma poi si era esaurito perché niente era più riuscito a crearlo.

I nuovi nati, pieni di vigore ed energia, iniziano a dirigersi senza timore verso la superficie della nube, che sembra doversi schiacciare all’infinito, e a fronteggiare la forza di gravità. Tanto essa spinge verso l’interno e tanto i fotoni la respingono con il loro movimento verso l’esterno. La situazione ha raggiunto un equilibrio perfetto. Finché vi sarà idrogeno da trasformare in elio, nasceranno nuovi fotoni in grado di tenere a bada la gravità.

Non solo, però, questi stessi fotoni arrivano, prima o poi, in  superficie e liberano la luce, ossia fanno brillare la nuova creatura, regalando la  sua bellezza e potenza allo Spazio che circondava la nube. Un dono meraviglioso e un segnale ben chiaro della nascita di una nuova vita.

Adesso la nube non può più chiamarsi così. E’ diventata una stella, con una forma più o meno sferica (forma dovuta al tipo di azione propria della forza di gravità), che ruota più o meno velocemente su se stessa e che produce e regala luce e calore. La forza di gravità è stata fronteggiata e fermata e la stella ha acceso il suo motore. Un motore nucleare, dato che l’opposizione alla forza di gravità nasce dall’unione dei noccioli  interni (nuclei) dell’atomo di idrogeno.

Come ogni motore, i’importante è che mantenga, il più a lungo possibile, l’equilibrio raggiunto. Non tutte le nubi ci sono riuscite. Molte non hanno raggiunto la temperatura necessaria a trasformare l’idrogeno in elio e sono rimasti ammassi di idrogeno scuri, che ancora vivono, dopo tanti miliardi di anni, una vita senza luce e calore, raffreddandosi lentamente. Altre hanno raccolto troppo idrogeno e il loro motore va in fretta “fuori giri”, distruggendo (o -meglio- trasformando) rapidamente la stella.

In ogni modo, le stelle sono nate e hanno acceso il loro motore. Ora l’Universo è tutto loro e solo loro possono fabbricare la materia sempre più complessa. Qualsiasi nuovo oggetto riesca a nascere, da un sassolino di roccia a un uomo, da un pianeta a una nebulosa, da un buco nero ad una  gigantesca galassia, può essere considerato una loro creatura.

Definizione

Come si può, allora, definire una stella? Un ammasso enorme di gas leggero (idrogeno soprattutto) rotante, di forma pressoché sferica, che riesce a trasformare nella sua parte più interna gli atomi di idrogeno in atomi di elio producendo luce e calore che bilancano perfettamente la forza di gravità che tenderebbe a schiacciarla.

Tuttavia, la vera importanza di una stella non sta solo nella sua sopravvivenza e nel suo dono di luce e calore, ma nella sua estrema efficienza come fabbrica di elementi chimici. Per capire questo ruolo è, però, necessario raccontare l’intera vita di una stella, soprattutto la sua parte finale.

 

21 commenti

  1. Supermagoalex

    Grazie Enzo, questo articolo è adatto a tutti, in quanto aiuta anche noi a trovare le parole giuste per spiegare le meraviglie dell'Universo ai nostri amici ed ai bambini  :)

  2. gioyhofer

    Esatto, un po' di ripasso non fa mai male...
    Giorgia 

  3. grazie SMA,

    lo scopo vuole proprio essere quello. Aiutare per quanto posso gli altri a divulgare... Un passa parola scientifico!

  4. alexander

    bellissimo articolo, se non fosse troppo piccolo lo leggerei al mio bimbo, mancava solo qualche illustrazione simpatica!
     credo proprio che scarichero' i pdf e li usero' in tempi piu propizi!
     complomenti per la capacita' di far sembrare semplice e lineare cio' che invece e' molto complesso!

  5. Mario Fiori

    La semplicità ed allo stesso tempo l'efficacia delle tue spiegazioni è sempre strabiliante caro Enzo.
    Aspetto con ansia il proseguimento.

  6. Giuseppe

    Splendido articolo! Come tutti del resto!

  7. Jacopo

    Enzo, hai davvero una chiarezza e capacità nella divulgazione che pochi possiedono! È ammirevole come trasmetti la tua passione e il tuo sapere al prossimo, in questo mondo dove ognuno pensa a se....e te lo dice un giovane di 25 anni!

  8. beppe

    Come sempre un bell'articolo, un articolo veramente "illuminato"!!!
    chissà com'era il cielo dopo il disaccoppiamento materia radiazione, le prime stelle si saranno formate subito ad una velocità incredibile che spettacolo... 

  9. mauro

    articolo molto bello, così come tutti gli altri. Grazie! Non ho capito perchè nelle condizioni iniziali si siano creati solo idrogeno, elio e litio.

  10. Manni Antonio

    Salve Sig. Vincenzo :) ,
    volevo farle una domanda, come fanno i fotoni ( che non hanno massa ) a contrastare una nube di gas (che ha massa ), che sta precipitando verso il centro per effetto della gravità? 

    La domanda mi è sorta, leggendo questo pezzo dell'articolo:
    " I nuovi nati, pieni di vigore ed energia, iniziano a dirigersi senza timore verso la superficie della nube, che sembra doversi schiacciare all’infinito, e a fronteggiare la forza di gravità. Tanto essa spinge verso l’interno e tanto i fotoni la respingono con il loro movimento verso l’esterno. La situazione ha raggiunto un equilibrio perfetto. Finché vi sarà idrogeno da trasformare in elio, nasceranno nuovi fotoni in grado di tenere a bada la gravità."

     

  11. innanzitutto.... grazie a tutti :oops: 

    @beppe,

    beh... non subito! Le prime stelle si sono formate durante il periodo oscuro, iniziato dopo che c'è stata inviata la radiazione cosmica di fondo, dovuta ai fotoni che erano riusciti a lanciarsi nello spazio, mentre prima erano bloccati all'interno di un miscuglio di particelle in agitazione continua. Ci sono voluti prima gli atomi, poi il gas neutro, la nebbia e infine l'accrescimento. Insomma, circa 500 milioni dal Big Bang per avere la primna stella o poco meno.

    @Antonio,

    in realtà, ho usato un linguaggio colloquiale...per semplificare. I fotoni non hanno massa, ma energia sì. E quindi esercitano una forza, la pressione di radiazione che contrasta la gravità. Per andare nei dettagli bisogna passare ai ... libri. Questo articolo è proprio per chi vuole iniziare da ZERO. E a loro non si possono spiegare tutti i passaggi (ne ho saltati parecchi...). E' lo scotto da pagare, ovviamente.

    E' come uan scultura: prima si fa un bozzetto senza particolari, poi si fa una prima passata sui particolari e infine si rifinisce. Direi che quesi articoli sono il bozzetto, Rosetta la prima passata e l'Infinito Teatro la rifinitura.

    Ovviamente, non valer prendere come scultore Michelangelo a cui bastava solo un abbozzo :mrgreen:

     

  12. caro Mauro,

    quando le particelle si sono unite per formare i primi nuclei atomici la temperatura e la pressione non riuscivano ad andare oltre al litio. Si è dovuto aspettare l'interno di una stella per avere le condizioni necessarie a unire tra loro più protoni. Le forze che NON vogliono fare unire particelle dello stesso segno sono molto forti e ci vuole una situazione che il dopo Big Bang non era in grado di produrre.

     

     

  13. alexander

    Caro Enzo, con lo scarso tempo a disposizione in passato mi ero soffermato a curiosare su altri aspetti delle scienze astronomiche.
     
    Da qualche tempo sto provando a recuperare un po’ del  ritardo accumulato nel campo della planetologia, sviluppo sistema solare, comete, asteroidi e annessi e connessi ma sono comunque molto terra terra e quindi scusa la domanda molto banale (e anche un pizzico fuori tema)
     
    Ma queste stelle come producono il loro campo magnetico che è enorme?
     
    La terra lo produce grazie al nucleo di ferro solido circondato da uno strato di ferro liquido che gli gira intorno riproducendo gli effetti di una dinamo ma le stelle (come il sole) non hanno al loro interno ferro ne solido ne fuso…
     
    Il mio problema sul campo magnetico del sole è lo stesso sui pianeti gassosi, loro non hanno (molto probabilmente) un nucleo ferroso.
     
    Ho sentito ieri su un documentario (stranamente fatto molto bene) che si ipotizza che questi giganti gassosi abbiano al loro interno un nucleo di idrogeno cristallizzato (o liquido? non ricordo…) che svolge le stesse funzioni di dinamo del nucleo ferroso della terra.
     
    Riesci a farmi chiarezza gentilmente?
     
    grazie

  14. il campo magnetico stellare si origina dalla rotazione del plasma presente nelle zone convettive. Non differisce molto da quello dei pianeti..

    I giganti gassosi hanno, comunque, un nucleo solido (più o meno delle dimensioni terrestri, ma anche di più). Inoltre hanno una distesa immensa di idrogeno liquido e addirittura "metallico" (sempre liquido ma con le caratteristiche della corteccia elettronica simile a quella dei metalli). Abbi fede e ne parleremo presto...

     

  15. peppe

    caro enzo
    i documentari mostrano la fine del nostro Sole con la fase di gigante rossa. viene mostrata l'espansione dei gas che avviene in pochi secondi. è cosi oppure è solo una simulazione per far capire il concetto, cioè questa espansione è rapida o no?
    sai com'è, i dubbi vengono dalle cose insignificanti :mrgreen:

  16. andrea.andrea

    Ciao Enzo eciao a tutti gli utenti del blog!
    Ho visto dei video e mi sono sorti dei dubbi?
    Se lo spazio è in continua crescita e l'energia e la massa disponibili sono sempre le stesse tra molto tempo si avranno un'energia ed una massa molto diluiti nel cosmo.
    Ciò, associato al fatto che l'entropia dello spazio aumenta e tutto dovrebbe tendere ad un "caos" crescente.
    Esisterà dunque un momento in cui le nubi di gas non saranno più soggette alla gravità e le stelle, a causa di questi fenomeni, non riusciranno a più a formarsi ed accendere i loro motori?...un tempo in cui le nubi di gas saranno molto rareffatte e "perse" nel cosmo, destinate a raffreddarsi fino ad "un'era glaciale cosmica".
    E' vera questa cosa? se le stelle non riusciranno più a formarsi, attivare i motori e sparare fotoni che succederà?
    nel video dicono che forse poi le infinite combinazioni quantistiche possono offrire una soluzione.
    Ma forse questo va off thread.
    Ciao.
    andrea.

  17. Supermagoalex

    @andrea.andrea

    Quella che tu ipotizzi è la teoria del Big-Rip, un universo in cui prevarrà una continua espansione e come ultima fine un luogo freddo, buio e desolato (molto triste, insomma  :-| ).

    Questo dipenderà da Omega, ossia dal rapporto tra la massa critica (la massa che porterebbe l'Universo ad un perfetto bilanciamento tra gravità ed espansione) e massa reale. Se questo dovesse risultare > 1 andremo quindi verso un Big-Rip o Big-Freeze.

    Comunque credo siano teorie ancora tutte da verificare, in quanto entrerebbero in gioco anche energia e materia oscura, di cui sappiamo ancora molto poco (chissà... magari dal prossimo anno con la ripresa degli esperimenti al CERN, potremmo avere succose novità a riguardo :wink: ).

     

  18. Supermagoalex

    Edit: ho sbagliato a digitare, Omega in caso di Big-Rip sarà < 1

  19. @peppe,

    la fase di gigante rossa non è un fenomeno di tipo esplosivo e quindi occorre tempo, almeno migliaia o centinaia di migliaia di anni. Così come non lo è nemmeno quella che porta alla nebulosa planetaria: è una perdita continua di massa nel giro di un tempo piuttosto corto, ma non come un fuoco d'artificio. Le supernove sono invece fenomeni istantanei.

    @andrea.andrea

    quello che descrivi è una delle possibili destini dell'Universo (nel caso che si dilati per sempre sia accelerando che decelerando). La materia tornerà in qualche modo al brodo primordiale e poi, e poi,  chissà... potrebbe anche ricominciare in qualche modo, ma nessuno può sapere come...

     

  20. grazie SMA! Che bello avere degli assistenti!!! :mrgreen:

     

  21. Manni Antonio

    @ Sig. Vincenzo,

    la ringrazio per la risposta, adesso mi è un po più chiaro, appena avrò la possibilità, comprerò tutti i suoi libri :) ... 

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