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15/02/18

Le stelle si ammalano? (3). Problemi di crescita **

Facciamo nascere le nostre stelle con la loro massa acquisita durante l’aggregazione. Come sempre capita è più facile accontentarsi di poco che non  cercare di superare a tutti i costi i vicini di casa (a volte, chi troppo vuole nulla stringe…).  Ne segue che è molto più facile costruire stelle piccole che non giganti. E’ vero che saranno proprio le giganti a fare la gran parte del lavoro dell’Universo, ma cerchiamo di non cadere in una visione troppo “umana”: le stelle sanno benissimo come dividersi gli incarichi. Non c’è assolutamente invidia per chi rimane piccola, lavora poco e vive moltissimo. Basta pensare alla parola d’ordine del Cosmo: armonia.

Come le uova, prima di far nascere un pulcino, anche le stelle appena nate (in realtà sono ancora solo proto-stelle) appaiono come ammassi di gas in contrazione e nascondono ciò che realmente sta capitando al loro interno. E’ una fase in cui si cerca ancora “cibo” dall’esterno e la massa non è completamente stabilita. La crescita della temperatura e della pressione rimangono nascosti ai nostri occhi normali. Solo quando si rompe il guscio (o -se preferite- quando la stella nascente decide di dire basta ed espellere il gas superfluo) inizia la vera vita stellare ed essa si rende visibile otticamente. A quel punto possiamo chiamarla PMS, Pre-Main-Sequence star (stella di pre sequenza principale). Siamo di fronte a dei cuccioli che devono vivere da soli e che devono gestire al meglio ciò che sono riusciti a recuperare intorno a loro.  Nel nostro Teatro, esse si affacciano al bordo destro, ma ancora devono riuscire a meritarsi il palcoscenico. In qualche modo, assomigliano a dei grandi pianeti di gas che cercano di scaldarsi e di controbilanciare la gravità che li schiaccia contraendosi e difendendosi attraverso l’energia termica. Un sistema che può durare per un certo tempo e che serve solo a superare il vero esame per diventare veri e propri attori: la fusione dell’idrogeno.

Esistono in pratica due strade, che poi diventano tre, per raggiungere lo scopo, Tutto è limitato a destra dal limite di Hayashi, che può essere spiegato facilmente (accontentandoci di una visione molto semplificata): una PMS deve ridurre il proprio raggio, ossia contrarsi, ma non può assolutamente far scendere la temperatura superficiale, a costo di disfarsi. In realtà, ciò dipende dall’equilibrio idrostatico: se esso esiste (e deve esistere se vogliamo un stella) la PMS deve portarsi a sinistra del limite. Ne segue che si crea un limite destro, una linea verticale che definisce il confine delle PMS.

Una PMS che abbia una massa minore di tre masse solari, deve contrarsi notevolmente per raggiungere temperature interne sufficientemente elevate. Inizia, perciò, a diminuire il proprio raggio, ma la temperatura non cambia, dato che l’energia interna fatica a riscaldare le zone esterne. Ne segue che deve diminuire anche la luminosità (uguale temperatura e superficie emettente più piccola). Le stelle utilizzano questa fase per tentare di ottenere lo scopo principale. Se sono piccole continuano a contrarsi sperando che prima o poi il loro nucleo raggiunga la giusta temperatura per innescare la fusione dell’idrogeno, ossia produrre l’energia necessaria per diventare una vera stella, sapendo che la sola contrazione porterebbe alla vittoria della gravità. Esse, quindi continuano a scendere verticalmente al bordo del limite di Hayashi.

Stanno proprio percorrendo la traccia di Hayashi, il percorso obbligato per tentare il salto di qualità. Spesso riescono solo a bruciare un po’ di deuterio, ma poi la contrazione continua. Per  stelle di piccola massa, inferiore a 0.5 masse solari, la traccia di Hayashi diventa strada obbligata fino ad incontrare la sequenza principale, il luogo dove passeranno il resto della loro vita. Per comprendere meglio la situazione, una stella che segue la traccia di Hayashi è una stella essenzialmente fredda e opaca. Ha grossi problemi a trasmettere l’energia che si libera nel nucleo verso l’esterno. Non può sperare che la radiazione attraversi impunemente il plasma. Si affida allora allo spostamento dell’intera massa che si spinge verso l’alto, libera energia e torna a scendere verso il nucleo. Stiamo parlando di strategia convettiva, quella che in fondo agisce anche nell’interno della Terra. Le stelle più piccole di 0.5 masse solari non riusciranno mai a diventare abbastanza trasparenti alle radiazioni e rimarranno nello stato convettivo fino a raggiungere la sequenza principale. In realtà, sono proprio loro a definire la sequenza principale: il luogo del palcoscenico in cui le PMS di massa diversa innescano la fusione dell’idrogeno e possono iniziare l’età adulta, rimanendo nella posizione raggiunta per un tempo che dipende direttamente dalla propria massa. L’infanzia è finita ed è nata una vera stella. Sotto a un certo limite di massa  la PMS raggiunge la prosecuzione della sequenza principale e si ferma comunque. Non può contrarsi di più ma l’idrogeno non si è acceso… diventa una nana bruna e si spegnerà lentamente, liberando l’energia accumulata all’interno, come fosse un pianeta gigante.

Per le PMS di massa maggiore di  0.5 masse solari, la temperatura al centro sale a tal punto da rendere la parte centrale meno opaca alle radiazioni ed esse possono utilizzare il sistema radiativo nella parte più interna, lasciando poi il campo alla fase convettiva. Questo salto di qualità, permette alle stelle di lasciare la traccia di Hayashi e di andarsene verso sinistra (aumenta la temperatura superficiale). Il loro ingresso nella sequenza principale avviene praticamente in orizzontale, da destra verso sinistra fino a raggiungere la sequenza principale dove inizia il bruciamento dell’idrogeno. Il Sole ne è un tipico esempio. Il percorso seguito dal distacco dalla traccia verticale di Hayashi fino al raggiungimento della sequenza principale si chiama traccia di Henyey.

Le PMS di massa superiore alle tre masse solari, invece, nemmeno ci pensano a seguire la traccia di Hayashi. Loro hanno sempre fretta e sono già pronte a dirigersi direttamente verso la sequenza principale: la loro temperatura aumenta continuamente, dato che l’energia riesce a riversarsi più facilmente all’esterno. Loro solo quasi completamente radiative (a parte la zona più centrale troppo densa) e il passaggio da PMS a stella vera e propria segue una linea praticamente orizzontale. La Fig. 1 mostra schematicamente il tipo di meccanismo che le PMS utilizzano per il trasporto dell'energia al loro ingresso nella sequenza principale.

hayashi2
Figura 1

Normalmente si vedono due tipi di figure che illustrano questo periodo così importante per la vita di una stella. In quella più comune (Fig. 2) le tracce seguite dalle stelle più grandi sembrano enormemente lunghe.

 

Figura 22: Le tracce delle varie PMS in funzione della massa.Sono anche indicate le linee di uguale tempo trascorso dalla nascita stellare.
Figura 2: Le tracce delle varie PMS in funzione della massa. Sono anche indicate le linee di uguale tempo trascorso dalla nascita stellare.

Non facciamoci ingannare… il tempo viaggia in modo ben diverso rispetto a ciò che sembrerebbe indicare lo spazio percorso nel palcoscenico. Ogni passaggio successivo nelle tracce evolutive si velocizza crescendo la massa. Inoltre, la parte destra delle PMS di grande massa è una zona dove il confine tra protostella e PMS è estremamente indistinto, dato che viene percorsa a velocità stupefacente (per essere corpi celesti). Si parla anche soltanto di secoli e quindi si capisce che riuscire a osservare un oggetto in quelle condizioni è estremamente difficile e fortunoso.

Rende meglio la vera situazione la Fig. 3 dove la linea nera di destra indica il momento della nascita di una PMS, tenendo conto che già l’ingresso in pre sequenza risente della massa e quindi avviene a temperature diverse.

Figura 3
Figura 3

In essa si vede molto bene come il tempo sia del tutto relativo e le linee corrispondenti allo stesso tempo trascorso dalla nascita siano decisamente inclinate rispetto alla sequenza principale (la linea nera più a sinistra). Ad esempio, una stella di sei masse solari in 105 anni è già al suo posto di combattimento, mentre una di 0.1 masse solari impiega 108 anni.

Fin dall’infanzia si nota come tutto avvenga più rapidamente in funzione della quantità di massa originaria. Sembra quasi che la massa sveltisca ogni fase vitale. Mi trovo spesso a pensare a quanto sia strano questo comportamento (anche se si può sempre spiegare passo dopo passo attraverso ciò che capita fisicamente all’oggetto in questione). Nel nostro Circolo ne possiamo anche parlare e volare con la fantasia… Ammettiamo, per un attimo, che la vita di una stella abbia SEMPRE la stessa durata evolutiva, ossia possa essere posta uguale all’unità (nient’altro che una normalizzazione). Cosa si potrebbe pensare? Che ogni stella abbia un suo tempo proprio e che questo sia funzione della massa. In altre parole, il tempo scorrerebbe in modo diverso da stella a stella. Qualcosa che ci ricorda molto la dilatazione del tempo nella relatività ristretta. In questo caso, però, sarebbe  la massa a gestire l’apparente durata di una vita stellare rispetto a un sistema di riferimento esterno (a cosa possa essere, non voglio nemmeno pensarci). In altre parole, ogni stella ha il suo tempo evolutivo, sempre uguale, ma siamo noi che lo vediamo accorciarsi o dilatarsi, PRETENDENDO che il tempo vero sia il nostro. Roba da fantascienza, ovviamente… ma ricca di spunti per racconti molto assurdi e complicati… cosa che vorrei proprio fare…

Va beh… torniamo alle cose più serie e cerchiamo di spiegare perché volendo parlare di “malattie” stellari, abbiamo perso così tanto tempo nel descrivere cosa avviene nella prima infanzia stellare. Bene, un po’ come per le malattie tipiche dei bambini, così potremmo dire che i bambini stellari siano malati per definizione, ossia che la variabilità anche piuttosto elevata faccia parte della loro essenza più profonda. Non era poi così difficile da capire, vedendo quanti ostacoli devono superare per arrivare alla società adulta stellare, quando finalmente si può iniziare a mangiare, più o meno lentamente (ci siamo di nuovo…) il proprio idrogeno. Immaginiamoci questi bimbi che devono decidere quando smettere di catturare massa (non troppa né troppo poca) e poi quando rimangono circondati dai resti del loro uovo, polvere e gas che si sistemerà attorno alla giovane vita in attesa frenetica di formare pianeti. E che dire della continua contrazione e degli spostamenti di materia che avviene al loro interno. Una vita dura, mai monotona o ripetitiva, dove non si deve sbagliare niente. E noi che li guardiamo, quando riusciamo, nelle varie fasi  non possiamo non vedere salti improvvisi di luminosità, oscuramenti dovuti al gas scuro che ancora parzialmente li avvolge, eruzioni improvvise di energia, getti violenti quando la materia che sta ancora cadendo si accende e si scaglia nello spazio. Insomma, non sono certo creature tranquille e regolari e vengono, perciò, inserite tra le variabili. Tuttavia, sono tutte “variabili” proprio perché stanno variando in modo decisivo la loro struttura interna ed esterna.

Stiamo parlando di due classi abbastanza distinte di PSM, che in pratica coprono quasi tutta la fase precedente l’ingresso nella società stellare. Per masse inferiori alle due masse solari si parla di T-Tauri, per masse superiore (fino a otto masse solari) si parla di stelle di Herbig Ae/Be (da non confondere con gli oggetti di Herbig-Haro che vedremo tra poco). Per masse maggiori, come già si diceva, l’intera fase di pre sequenza praticamente non esiste o è talmente veloce che forse ancora nessuno è riuscito a capire se succede qualcosa di particolare… Probabilmente, le vere giganti, prima ancora di rendersi visibili (ossia diventare PMS), hanno già  innescato la fusione dell’idrogeno nel nucleo centrale (tempo addirittura negativo…?).

Una classica T-Tauri con il suo disco di materia che la circonda e la oscura i tanto in tanto. La stessa stella sta ancora contraendosi
Una classica T-Tauri con il suo disco di materia che la circonda e la oscura di tanto in tanto. La stessa stella sta ancora contraendosi e non disdegna di "sparare" radiazioni e materia verso lo spazio.

 

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Una violenta eruzione di una T-Tauri doppia. Anche i bambini sanno farsi sentire.

Il nostro Sole ha sicuramente avuto queste vicissitudini ed è stata un bella e vigorosa T-Tauri. Ciò nonostante la polvere che lo circondava ha avuto forza e pazienza, resistendo alle azioni più violente e iniziando la costruzione dei pianeti tra cui la nostra Terra.

Per eliminare qualsiasi confusione, ricordiamo che gli oggetti Herbig-Haro sono dei fenomeni associati a stelle di pre sequenza (ma anche proto stelle) e sono caratterizzati da getti fantastici di materia. Non stelle, quindi, ma “colonne” di gas e polvere sparate da stelle che stanno nascendo.

La stella è ancora nascosta, ma i suoi getti sono ben visibili, Questi fenomeni danno luogo agli oggetti Herbig-Haro
La stella è ancora nascosta, ma i suoi getti sono ben visibili, Questi fenomeni danno luogo agli oggetti Herbig-Haro.

Possiamo concludere questa parte, dicendo che abbiamo conosciuto le prime variabili, ma di una variabilità dovuta all’irruenza della gioventù e ai problemi che devono superare degli anonimi ammassi di materia per diventare principini stellari. A ciò si sommano gli effetti visivi di una nube vagabonda che li circonda e che spegne e accende la loro luce. Malesseri associati alla crescita che si risolvono in fretta quando il motore centrale inizia a girare a pieno regime.

 

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

2 commenti

  1. Mario Fiori

    E' meravigliosa la descrizione che dai carissimo Enzo della vera e propria crescita di questi esseri del Cosmo.

    Questo affacciarsi nel Grande Teatro diversificato in "specie" in base alla massa.

  2. grazie caro Mariolino... ero sicuro che ti sarebbe piaciuto... ormai ti conosco bene!!!! :-P

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