22/01/18

Le stelle si ammalano? (2). Cominciamo a vederle nascere *

Continuiamo nella nostra storia dedicata agli "acciacchi" delle stelle, sia provvisori che definitivi. Prima di analizzare i disturbi, è, però, fondamentale capire come funziona il fisico in condizioni ottimali, anche se in modo elementare. E' obbligatorio, perciò, accingerci a costruire un vero teatro, quello del diagramma HR.

L’altra volta abbiamo, per così dire, scherzato permettendoci un’analisi decisamente “severa” della rappresentazione della vita di un popolazione che sia soggetta a un’unica legge ferrea e stabilita da pochi (e non certo i migliori). Purtroppo, anche se abbiamo esagerato, non siamo stati molto distanti da quella che è la realtà dei fatti e che potrebbe anche svilupparsi meglio nel futuro della specie umana - Orwell, ti preghiamo di non esagerare. Tuttavia, bene o male, questo tipo di schema, magari più democratico, è ciò che miliardi di uomini devono aspettarsi.

Fortunatamente, tra le stelle, nessuno obbliga nessuno e le stesse caratteristiche di questi attori fondamentali dell’Universo nascono insieme a loro. Ognuno, alla nascita, sa già cosa e come dovrà fare nella sua esistenza. Un bambino, ovunque nasca, sa di potere sempre esprimere il meglio di sé e ha la massima libertà di agire. Si potrebbe dire: “Che vita monotona e ripetitiva! Nessun rischio e nessun salto qualitativo inaspettato…” Beh… le cose non vanno proprio così. Diciamo che la libertà sembra essere limitata solo perché è già stata predisposta, nel corso di miliardi di anni, la via migliore per l’evoluzione.

Ricordiamoci che le prime stelle sono nate in un momento veramente critico dell’Universo, quando esso era composto da elementi di materia tutti uguali, dispersi in uno spazio vuoto o quasi vuoto, che apparentemente cercava, espandendosi, di allontanare materia da materia. In parole più tecniche, atomi neutri di idrogeno ed elio avevano raggiunto una loro stabilità ed erano pronti a sopravvivere per tempi lunghissimi, forse infiniti. Protoni ed elettroni avrebbero potuto scegliere di vivere così, in eterno, senza alcun rischio. In fondo, cosa sperare di più? Nessun lavoro e nessuna fatica…

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Immaginiamoli come piccole imbarcazioni che si muovevano in un mare sempre più grande e apparentemente senza problemi. Il Big Bang era riuscito a creare quelle imbarcazioni e il mare per farle muovere in armonia le une con le altre. Però, aveva creato anche il tempo che variava continuamente. Sembrava assurdo viverlo sempre nella stessa configurazione. Le piccole imbarcazioni presero una decisione a prima vista impossibile: trasformare quel mare senza onde in un turbinio di vita sempre in agitazione. Non calma, quindi, ma creatività continua. Chi oserebbe non chiamarla una scelta estremamente difficile e rivoluzionaria?

Quanta fatica però… Di chi è stato il merito? In parte delle stesse imbarcazioni e in parte del mare che -forse- non era così tranquillo come poteva sembrare. Ogni imbarcazione riusciva a deformarlo un poco, quel tanto che bastava per richiamare altre imbarcazioni e unirsi in gruppo. Voglia di compagnia? Voglia di dare al tempo un valore definito e far sì che ogni evento fosse realmente diverso da un altro? O forse un mare che conteneva materia o energia ben più potente di ciò che mostrava. In poche parole, spazio, tempo e materia decisero di vivere costantemente in movimento, un movimento creativo, le cui conseguenze non erano sicuramente scontate e dirette da un dittatore.

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Chissà quanti tentativi e quante scelte furono fatte in mezzo a quella nebbia sempre più caotica e turbolenta. Feyman diceva: “Tutto è fermentazione” . Forse anche quel periodo così fondamentale non fu altro che fermentazione, intesa nel suo significato più generale e profondo: “Permettere agli esseri “viventi” di ricavare energia per svolgere azioni sempre più complesse”. Basta sostituire agli zuccheri ben altro tipo di materia e agli enzimi ben altri attori capaci di sveltire ogni tentativo.

Va bene, va bene, scusate… come al solito mi sono lasciato prendere dalla mia visione molto particolare delle creature dell’Universo, siano essi sistemi immensi o particelle infinitesime. L’importante è che gli atomi si unirono attraverso quella che possiamo continuare a chiamare gravità, e a innescare il gioco più bello e naturale del Cosmo: produrre energia e trasformarla per crearne altra in un susseguirsi di risultati sempre più complessi e particolari. Lo spazio non era più un mare “vuoto” o quasi-vuoto, ma il luogo in cui la materia poteva divertirsi a creare e a trasformare, mentre il tempo scandiva con estrema precisione la successione degli eventi. Una rivoluzione fantastica che non può che farci pensare a tutto ciò come a una vera e propria evoluzione della vita. Chi dirigeva il tutto erano le particelle più piccole, seguendo le loro regole forse del tutto casuali o forse no. Per ora non sappiamo, ma sicuramente hanno scelto continuamente la via migliore per ottenere il massimo: mai troppo caldo, mai troppo freddo… E il bello è che prendevano decisioni fondamentali sempre giocando e divertendosi, come Feynman ha cercato di spiegarci.

Non fantastichiamo più (ma è veramente fantasia?) e passiamo a descrizioni ben più concrete. La materia aveva bisogno di possedere una massa, la caratteristica che avrebbe trasformato la nuova creatura nascente in una creatura attiva e operativa al meglio delle proprie possibilità. L’esistenza futura dipendeva da lei, da quanta massa era riuscita a raccogliere il neonato. Quella massa avrebbe permesso di ottenere una nuova energia capace di irradiarsi nell’Universo, uscire dai propri confini e, nel contempo, di lavorare laggiù in fondo, nel suo interno, dove gli atomi potevano costruire i fratelli più grandi, permettendo di non fare collassare la splendida costruzione sempre in bilico. No, non possiamo chiamarla una vita monotona e ripetitiva!

Noi oggi, nella nostra arroganza e superbia condita con grande ignoranza, potremmo anche vedere una stella come una macchina perfetta, dalla vita lunghissima. Sì, ma una macchina capace di costruirsi da sola e di adattarsi alle condizioni al contorno e ad adattare a sé ciò che la circonda. Una continua interazione che lega tutto in un unico sistema senza fine. Stelle-galassie-ammassi- filamenti… un’enorme ragnatela che riesce a mantenere il contatto tra tutto e tutti. Chiamatelo se volete “computer”… io preferisco chiamarlo “cervello” cosmico.

Torniamo a noi e cerchiamo di fare un breve riassunto di ciò che si deve fare per creare una stella. Poi vedremo il loro destino e ci avvicineremo sempre di più ai momenti difficili della loro esistenza. Approfittiamo di una parte già svolta QUI, ma che non fa male riprendere tale e quale per sapere con chi abbiamo a che fare.

Mentre la gravità agisce e avvicina sempre più milioni, miliardi, miliardi di miliardi di atomi, questi tentano di ribellarsi al loro “schiacciamento”. E come se troppe persone entrassero in un vagone di una metropolitana, senza che il flusso di viaggiatori diminuisca. L’unico modo di reagire é cercare di farsi largo, di agitarsi attraverso spinte e urti. In poche parole, di contrastare, con il movimento continuo, l’ingresso di altre persone in uno spazio ormai quasi saturo. Analogamente gli atomi, agitandosi sempre di più, esercitano una pressione che contrasta l’arrivo di nuovi atomi spinti dalla gravità reciproca.

Si è ormai creato, all’interno di una nube densa di materia gassosa, fatta di idrogeno e di elio, un nucleo centrale che è soggetto a una compressione terribile da ogni parte. Gli atomi di questo nucleo sono in  movimento frenetico, l’unico metodo che hanno per opporre resistenza alla gravità.

In qualche modo, stanno reagendo come possono e tutto ciò che permette di agire prende il nome di energia (in realtà, definire energia è una delle cose più difficili anche per gli addetti ai lavori). In questo caso è energia di movimento e prende il nome di energia cinetica delle particelle coinvolte nella lotta per resistere alla gravità. E’ una situazione abbastanza peculiare: la gravità spinge gli atomi a unirsi per rompere la monotonia dell’Universo, ma gli stessi atomi cercano di non essere schiacciati in un abbraccio che potrebbe disintegrarli del tutto. Sì, la gravità è una magnifica “fata”, ma non sa dosare la propria “forza”: una vera fortuna per il Cosmo e i suoi attori principali.

L’energia cinetica  si quantifica abbastanza bene dato che dipende dalla massa della particella e dal quadrato della velocità acquisita.

Più la massa cresce, più si agita e meglio si oppone alla gravità che tende a farla sprofondare verso il centro del nucleo ultra affollato. Questa è l’energia che le particelle contrappongono a quella gravitazionale, che dipende essenzialmente dalla posizione della particella rispetto al centro della nube che la sta attirando verso di lei con una massa sempre crescente. Un'energia che può chiamarsi potenziale, in quanto esiste "in potenza" e dipende solo dalla posizione che assume chi la possiede.

Una lotta titanica che porta a un equilibrio descritto da un teorema che è un po’ come il “prezzemolo” per una moltitudine di fenomeni fisici: il teorema del viriale. Esso dice che l’equilibrio si ottiene quando l’energia potenziale è uguale al doppio dell’energia cinetica delle particelle. Teniamo sempre presente che le due energie non nascono separate, ma sono forme diverse della stessa “cosa”. La forza di gravità tende a far collassare la nube verso il centro e, come conseguenza, nasce l’agitazione che cerca di bilanciarla. Se non ci fosse la gravità non nascerebbe nemmeno l’agitazione delle particelle. L'energia non può sparire o distruggersi, può solo trasformarsi.

Raggiunto questo equilibrio possiamo dire che la battaglia è finita? Nemmeno per sogno! La pace si mantiene attraverso un’opera continua di mediazione. La massa raggiunta dalla nube che evita il collasso continua a crescere e di conseguenza deve crescere anche il movimento delle particelle che evitano la catastrofe. L’equilibrio è frutto di una lotta continua. Basterebbe poco a romperlo. Se vincesse la gravità le particelle sarebbero schiacciate oltre ogni limite di resistenza e gli stessi nuclei atomici sarebbero distrutti. Se gli atomi si agitassero troppo, la nube esploderebbe rilanciando indietro tutte le particelle compresse. E’ ora di chiamare l’energia cinetica delle particelle con un altro nome, molto più comune e utile per lo scopo della nostra avventura: energia termica. In poche parole, quando aumenta l’energia cinetica aumenta la temperatura del gas che sta subendo la gravità.

Il teorema del viriale può essere enunciato in un altro modo: si raggiunge l’equilibrio quando l’energia dovuta alla gravitazione si trasforma in energia termica. Anzi, è sufficiente che l’energia termica sia uguale alla metà dell’energia gravitazionale. In parole povere, solo la metà dell’energia gravitazionale serve a scaldare il gas. Cosa succede all’altra metà? Non può certo sparire, dato che l’energia può solo trasformarsi. Bene, nessun problema, viene rilanciata verso lo spazio esterno. Sì, è proprio quella di cui abbiamo bisogno per accorgersi che sta nascendo una stella: l’energia luminosa (meglio ancora elettromagnetica). Questo è il segnale che l’agitazione del gas ha creato la luce, ossia gli atomi si sono nuovamente ionizzati, dando via libera agli elettroni e ai loro figli, i fotoni.

L’Universo sta rinascendo e questa fase prende proprio il nome di fase di reionizzazione. Possiamo tirare un sospiro di sollievo: le stelle si stanno formando e la luce, nuovamente creata, è stata lanciata verso lo spazio.

Così possiamo definire una stella in parole estremamente semplici: una “macchina” capace di fare aumentare la temperatura di un ammasso di particelle.

Possiamo fermarci qui, dato che lo scopo di questa chiacchierata non è quello di entrare nei dettagli della formazione stellare e di tutti i vincoli che sono necessari al suo completamento. Ci basta aver visto che i parametri fondamentali per descrivere una stella sono già stati definiti: massa, temperatura e luminosità. La massa indica quanta sia la materia che sta collassando sotto l’effetto della forza gravitazionale; la temperatura indica lo stato di agitazione delle particelle di materia (ossia la loro energia cinetica); la luminosità indica la parte di energia che non si trasforma in energia termica e viene lanciata verso lo spazio. Quest’ultima è l’unica che ci manda informazioni. Le altre due ci sono (teoricamente) vietate. Tuttavia, la luce ha in sé tutte le informazioni della stella, comprese le sue impronte digitali.

La magnifica avventura della mente umana (talvolta ci riesce...) è riuscita a leggere il messaggio luminoso e a risalire alla massa e alla temperatura e, come una cascata conoscitiva, anche all’età e alla composizione chimica. Dapprima solo con l’osservazione dei fenomeni macroscopici e poi entrando letteralmente nei fenomeni che avvengono a livello atomico. Tutto ciò analizzando solo la luce, ossia cercando di estrarre tutte le informazioni contenute in quel messaggio estremamente conciso e tutto da decodificare. Proprio la spettroscopia ci dà la chiave per comprendere il vero significato di quell’energia che ha viaggiato per decine, centinaia, migliaia, milioni, e miliardi di anni. Un’energia simile a una bottiglia lanciata da un naufrago lontanissimo o, ancor meglio, simile a un “pacchetto” ricco di informazioni.

In realtà, esiste un altro parametro molto importante che non abbiamo ancora definito, ma che è strettamente legato alle altre grandezze: il raggio di una stella. In altre parole, conoscere il raggio vuol dire sapere come si distribuisce la materia all’interno della stella, ossia qual è la sua densità. A parità di massa, la densità cresce o decresce inversamente a ciò che fa il raggio: più è piccolo e più le particelle sono schiacciate all’interno della stella.

Non possiamo, però, lasciare la stella solo in balia di energia potenziale gravitazionale ed energia cinetica delle particelle. Quest’ultima non basterebbe di certo a contrastare, a lungo, la gravità. L’aumento della temperatura è solo il modo per arrivare allo scopo finale di una stella vera e propria. Quando la temperatura sale sufficientemente i nuclei atomici vengono coinvolti in modo pesante e riescono ad andare contro la loro voglia di tranquillità. Entrano in gioco le forze più segrete della materia, quelle limitate a distanze irrisorie per il metro umano: le forze nucleari. Esse sono in grado di produrre un’energia spaventosa, proprio quella che ci vuole per bilanciare la gravità che non potrebbe che vincere in tempi anche relativamente brevi. Un’energia che proviene attraverso una trasformazione che sembra miracolosa per il mondo macroscopico in cui viviamo: la trasformazione di materia in energia.

Solo questa permette alle stelle di vivere e mantenere acceso -e a regime- il loro motore per milioni o addirittura molti miliardi di anni. Tutto dipende dalla temperatura, dalla massa, dalla densità, ossia sempre e soltanto dagli stessi parametri già definiti e che sono strettamente legati tra loro. La sopravvivenza dei corpi più giganteschi dell’Universo dipende essenzialmente da ciò che riescono a fare i corpi più piccoli del Cosmo. Un’avventura veramente “globale”, dove tutti gli attori hanno la stessa importanza. Uno per tutti e tutti per uno!

Se la spettroscopia ci permette di analizzare in dettaglio le singole stelle e riuscirle a classificare secondo i loro caratteri “somatici”, non dimentichiamo che essa, in fondo, ha lo scopo di riuscire a legare tra di loro i parametri fondamentali, quali luminosità (l’unica cosa osservabile, ricordiamocelo sempre) e la temperatura, ad esempio. Questo legame permette di descrivere la vita di una stella e di prevedere il suo futuro e di descriverne il passato. Un legame che è descritto mirabilmente dal celeberrimo diagramma di Hertzsprung-Russell. La spettroscopia permette proprio di costruire questo diagramma fondamentale, oltre che vedere i singoli oggetti attraverso un “microscopio” eccezionale, capace di mostrarci come si muovono gli elettroni, proprio i “costruttori” della luce.

Questi movimenti lasciano un segno peculiare, delle vere e proprie impronte digitali di ogni elemento o composto presente all’interno delle stelle. La faccenda funziona così bene che ormai tutti gli oggetti dell’Universo sono analizzati attraverso questa tecnica pratica e concettuale insostituibile.

Bene… in un modo o nell’altro siamo pronti a prendere per mano una protostella, ossia qualcosa che non è ancora viva, ma che non può che diventarlo. Il suo scopo è quello di superare il difficile momento dell’infanzia e riuscire a occupare il suo posto nel mondo operativo. Tutte avranno la loro evoluzione con i tempi necessari, dettati essenzialmente dalla massa che hanno raggiunto. La materia che sembrava così uguale si sta per diversificare attraverso processi più o meno complicati. Tuttavia, resta sempre materia e nel Cosmo non esiste e materia di serie A o di serie B. prima o poi i ruoli cambieranno in un’armonia strabiliante.

Prepariamo soltanto la scenografia per la nostra rappresentazione teatrale. Per adesso è vuota, ma la prossima volta cominceremo a popolarla cominciando dall’estrema destra, dove la temperatura è ancora ridicola…

HR

 

QUI tutti gli articoli finora scritti sulla rappresentazione dell'evoluzione stellare tramite il diagramma HR

1 commento

  1. Gianni Bolzonella

    La teoria non descrive come le cose “sono”: descrive come le cose “accadono” e come “influiscono l’una sull’altra”. Non descrive dov’è una particella, ma dove la particella “si fa vedere dalle altre”.Tutto sembra relazione,una cosa diventa realtà quando qualcos'altro collide con essa,in uno spazio che sa accendere una fluttuazione,ma anche una immensa energia.Un intreccio di campi dove quello gravitazionale sembra essere il Deus ex machina di tutto.Come se ogni quanto di gravità fosse un quanto di tempo,una lettera di uno spartito.Mi chiedo,visto che una particella si manifesta attraverso uno "stimolo", se essa non sia qualcosa che lo spazio presta e che si manifesta per accumulo,verso forme enormi come le stelle.Non un oggetto esterno ma,come per un ascesso o un muscolo su un corpo,lo stesso spazio.Non contenitore come lo immaginava Newton,con qualcosa che si muove dentro,come i pesci nel mare,ma un organismo attivo da cui nasce,si nutre tutto.

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