14/01/22

Dall'Atomo alle Stelle e viceversa (6): Dimmi come risplendi e ti dirò chi sei

Per capire come funzionano i giganti materiali del Cosmo (le stelle) è necessario studiare le creature più piccole della materia (le particelle); tuttavia, per capire come funzionano e come interagiscono le particelle, è necessario studiare i fenomeni giganteschi delle stelle. Un abbraccio totale e strettissimo che trova il suo campo di gioco nello spaziotempo, il perfetto teatro perché gli attori, indipendentemente dalle loro dimensioni, possano dare il meglio di sé.
E’ con grande piacere che continuiamo il viaggio attraverso uno degli argomenti più affascinanti tra i tanti contenuti nel nostro archivio cosmico. Chi ha fretta potrà bruciare le tappe leggendolo (o rileggendolo) QUI tutto in una volta, ma volete mettere il piacere di gustarlo a piccoli sorsi come una buon vino?

Puntata precedente

 

Le stelle stanno nascendo e lo vogliono far sapere

Come possiamo definire una stella in parole estremamente semplici?

E' 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: massatemperatura 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 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. Vedremo quanto la parola “pacchetto” sia perfettamente azzeccata.

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.

Il messaggio delle stelle ovvero la voce degli elettroni 

Iniziamo, allora, il nostro viaggio nella spettroscopia sapendo ormai bene cosa significa: decodificare il messaggio ultra-compresso inviatoci dalle stelle. Vedremo che vi è una catastrofe incombente, come spesso accade in tante avventure a lieto fine. In questo caso la catastrofe ha un nome: catastrofe ultravioletta. Essa compare nella sua drammaticità dopo che la spettroscopia è già nata e ha dato informazioni eccezionali. Una catastrofe sempre latente, però, lasciata quasi da parte, cercando di chiudere gli occhi per non rendersi conto della sua esistenza. In fondo si riusciva lo stesso a comprendere molto bene tante cose. Quando si è finalmente affrontata di petto, la sua soluzione ha fatto nascere la meccanica quantistica e gli elettroni hanno dominato la scena insieme ai loro messaggeri, i fotoni.

Avanti, allora, cominciando, ancora una volta, dal grande Newton…

Viva la luce, l’unica informazione (*) che riusciamo a ricevere dalle stelle e dagli oggetti dell’Universo che non siano alla portata degli altri nostri quattro sensi. Qualcuno potrebbe dire: “Non è vero! Quando ci mettiamo al Sole sentiamo molto caldo e la nostra pelle può anche bruciare. Il tatto è stimolato e come…”. No, non confondiamo l’effetto con la causa, perché questo errore ci permetterebbe di misurare la temperatura di una stella solo attraverso l’esposizione alla sua luce e magari con un termometro casalingo.

A parte il fatto che il Sole è l’unica stella che riesce a stimolare altri sensi e non solo la vista, proprio perché è decisamente molto vicina, resta il fatto che l’aumento della nostra temperatura corporea è una reazione a seguito dell’arrivo sulla nostra pelle della luce solare. Il messaggio, che il nostro corpo traduce come può, è sempre lo stesso, quello portato dai fotoni. Non conviene perciò utilizzare i nostri sensi, con gravi rischi per la salute, ma è molto meglio affidarsi a strumentazioni più accurate e sicure. Questo lo avevano capito fin dall’antichità.

Il vetro non trasforma la luce

Una volta, purtroppo, l’unico strumento umano che poteva catturare l’informazione luminosa era l’occhio. Marchingegno fantastico, ma di portata limitata anche per le sue dimensioni molto ridotte. Le stelle non potevano che restare punti e la loro luce sembrava  uguale a quella delle altre. Qualcuna più luminosa, altre molto meno, ma sempre le stesse, ogni notte. Non per niente si immaginava che fossero fisse e immutabili.

Tuttavia, vi era anche quella del Sole e questa si riversava  sulla Terra e sull’uomo in modo ben più violento e apprezzabile. Essa, come in fondo quasi tutte le stelle, sembrava avere un colore, molto simile al bianco e dava luogo a giochi naturali che non potevano passare inosservati perfino agli uomini delle caverne. Primo fra tutti l’arcobaleno. I raggi del Sole producevano nel cielo degli archi multicolori, poco dopo una bella pioggia e se la loro inclinazione rispetto all’orizzonte era sufficiente bassa.

Non ci fu certo bisogno di aspettare il genio di Newton per capire il processo che avveniva nell’atmosfera: un raggio entrava all’interno di una gocciolina d’acqua, sospesa in aria, e ne usciva separato in tanti raggi di vari colori (sette o sei, ma in realtà di tutte le sfumature che vanno dal violetto al rosso). Cosa analoga succedeva se si utilizzava un pezzo di vetro che venisse attraversato dalla luce solare.

Qual è stata, allora, la grande scoperta di Newton che ha dato il via a tutta la storia della luce che ancora oggi coinvolge e sconvolge gli scienziati (per altre e più sottili ragioni). Fino ai suoi esperimenti con un prisma di vetro triangolare, si pensava che fosse la sostanza vetro (o acqua o cose simili) a trasformare la luce bianca in luce colorata. In altre parole, che fosse una caratteristica del mezzo attraverso cui era costretta a passare la luce. Un fenomeno del tutto indipendente dalla luce che ci mandava il Sole.

Capite la grande limitatezza di questa conclusione? La luce, al massimo, avrebbe dato informazioni su ciò che attraversava e se lo attraversava, ma non certo su cos’era lei prima di toccare il vetro. Newton invece dimostrò che il prisma mostrava ciò che era insito nella luce e che il nostro occhio non riusciva a percepire. Era la luce stessa a essere composta di vari colori e il prisma non faceva che aiutare la loro separazione. I suoi esperimenti furono decisivi e inattaccabili.

Uno su tutti. Dopo aver prodotto la separazione dei vari colori, egli riuscì, attraverso una stretta fenditura, a farne proseguire solo uno. Esso fu nuovamente inviato contro un prisma. Se fosse stato il prisma a trasformare la luce, questa “selezione” sarebbe stata di scarsa importanza e la luce si sarebbe di nuovo scomposta. Ciò che osservò Newton fu, invece, che quel colore, separato dagli altri, non subiva alcuna trasformazione e usciva dal prisma tale e quale a come era entrato. I colori non dipendevano dal prisma, ma proprio dalle caratteristiche intrinseche della luce. Il prisma metteva solo in evidenza che quella che sembrava una luce “bianca” era invece formata da tutti i colori visibili all’uomo (ma non solo da quelli, come vedremo tra poco).

Non vogliamo certo raccontare tutta la storia dell’ottica e dei continui cambiamenti di idea sulla sua natura. Resta, comunque, il fatto indubbio che Newton capì la sua complessità e aprì la strada alla sua interpretazione. Ricordiamo che ai suoi tempi non si conoscevano gli elettroni e nemmeno i loro messaggeri e l’atomo era un’idea astratta, mal sopportata dalla Chiesa. Tuttavia, si sapeva, finalmente, che la luce era composta da vari colori e che la loro unione portava al colore bianco.

Tutte quelle stelle lontane inviavano luce, anche se in modo molto flebile e, quindi, tutte quelle stelle inviavano lo stesso tipo di informazione. Riuscire a capire cos’era la luce voleva dire avvicinarsi all’Universo e ai suoi attori principali.

(*) Questo articolo è stato scritto prima della rilevazione delle onde gravitazionali

Continua...

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