Fusione nell’universo: quando una stella gigante muore… Understand article

Traduzione di Lucilla Croce Ferri. Péter Székely dell’Università di Szeged in Ungheria e Örs Benedekfi dell’Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione Nucleare a Garching in Germania studiano come muore una stella e cosa significherebbe per noi sulla Terra l’esplosione di una…

Impressione artistica di
un’esplosioni di supernova di tipoI

immagine cortesemente concessa da ESO

Alle 7:35 della mattina del 23 febbraio 1987, un chilometro sotto terra, il rivelatore giapponese di neutrini Kamiokande II registrò 11 neutrini in 15 secondi. Ciò non sembra drammatico, ma i neutrino sono difficili da rivelare, in quanto interagiscono con la materia solo molto debolmente. Normalmente il rivelatore registra solo qualche neutrino dal Sole, quindi questo indicava in evento spettacolare in qualche parte dell’Universo: una stella gigante moriva.

La grandezza è tutto

Forse la proprietà più importante per determinare il destino di una stella è la sua massa. Come precedentemente descritto in questa serie (Boffin & Pierce-Price, 2007), stelle con una massa simile a quella del nostro Sole muoiono senza nessun sconvolgimento: fondono l’elio in carbonio e ossigeno, poi rilasciano i loro strati più esterni come una nebulosa planetaria e, dopo miliardi di anni, il nucleo si raffredda e si forma una nana bianca.

Stelle più grandi hanno una vita più breve ed un destino più violento. Mentre una stella delle dimensioni del nostro Sole può vivere miliardi di anni, stelle da otto a dieci volte la massa del Sole durano solo milioni di anni, in quanto esauriscono rapidamente il conbustibile. Quando questo avviene, viene a mancare l`equilibrio tra due forze fondamentali: la forza di gravità, che tende a far contrarre le stelle, e la pressione di radiazione prodotta dalle reazioni di fusione nucleare nel nucleo, che tende a far espandere la stella. Il nucleo si contrae per formare una stella di neutroni e gli strati più esterni della stella prima collassano e poi vengono espulsi dal nucleo molto denso in un’esplosione gigantesca: una supernova di Tipo II.

Onde di particelle, tra cui dei neutrini, lasciano il nucleo, trasportando l’energia gravitazionale della stella che collassa. Gli strati esterni della stella che collassano assorbono molti di questi neutrini, dando origine a temperature estremamente alte – calde abbastanza per innescare la fusione di elementi tra cui l’oro e l’uranio (come descritto in Rebusco et al., 2007). Una piccola parte di questi neutrini, tuttavia, sfugge all’atmosfesa della stella morente e può essere rivelata sulla Terra, nella profondità silenziosa sotto la superficie terrestre.

Un secondo tipo di cataclisma stellare avviene durante la collisione di una nana bianca con una stella gigante rossa molto più grande con un’atmosfera estesa (centinaia di milioni di chilometri di diametro). Se una nana bianca ed una stella gigante rossa orbitano in un sistema chiuso chiamato “stella binaria”, la nana bianca può ricevere materiale dalla sua compagna e crescere in massa (vedi figura). Quando la nana bianca eccede la massa del Sole di 1.44 volte (limite di Chandrasekhar) diventa instabile, reazioni di fusione producono metalli pesanti come il lantanio e il rutenio e il tutto si disintegra in un’esplosione gigantesca: una supernova di tipo I (vedi figura).

Le impressioni artistiche di una nana bianca (in basso a destra) che riceve materiale da una stella gigante rossa
Una volta che la massa della nana bianca ha raggiunto un limite critico, la stella esplode come una Supernova di tipo I
Immagine cortesemente concessa da ESO

Che sia di tipo I o II, una supernova è uno degli eventi più potenti nell’Universo dal Big Bang. Nelle settimane dopo l’esplosione, la stella e i suoi resti emettono più energia di quanto faccia il nostro Sole in miliardi di anni. Questo enorme esplosione può oscurare tutte le altre stelle della galassia e la luce può essere vista a migliaia di milioni di anni luce. Un telescopio potente sarebbe probabilmente in grado di osservare un’esplosione di supernova avvenuta in una qualsiasi parte nell’universo.

I resti di una stella

Così, cosa rimane dopo questo evento violento e drammatico? Nel centro di un’esplosione di una stella che è meno di 20 masse solari si forma una nuova stella di neutroni, con la massa della stella concentrata in una sfera con una raggio di soli dieci chilometri, incredibilmente densa. Il peso di un cucchiaino di stella di neutroni è uguale a quello di tutti i veicoli (milioni di automobili, autobus e treni) che abbiamo qui sulla Terra (Swinton, 2006). A casa della conservazione del momento angolare (più piccolo il raggio, più veloce la rotazione), una stella di neutroni spesso gira molto rapidamente (centinaia di rivoluzioni per secondo), questo può causare fasci di onde radio emessi dai poli magnetici, nel qual caso chiamiamo la stella una pulsar.

Un tipo di resti ancora più esotico di una stella di neutroni o una pulsar è un buco nero, nato quando una stella di meno di 20 masse solari esplode in una Supernova di tipo II. Quando una stella massiccia muore, il collasso gravitazionale non si ferma con la formazione di una stella di neutroni. Invece la materia collassante produce un fenomeno molto curioso con un volume teorico nullo e una densità infinita. Nulla può lasciare il buco nero o le sue vicinanze a meno che non superi la velocità della luce, ma nessuna luce può sfuggire all’immensa attrazione gravitazione, da cui il nome.

Oltre a una stella di neutroni o a un buco nero, spesso possiamo osservare i resti di nuvole di gas della stella, che sono state espulsi dalla supernova. Uno di questi oggetti interessanti è la Nebulosa del Granchio: i resti di una supernova avvenuta attorno al 5500 a.C. e osservati da astronomi cinesi nel 1054. Come altri resti,questi resti spariranno nello spazio interstellare tra migliaia di anni.

Imparando dalle supernove

Anche senza l’uso di telescopi moderni, è difficile perdersi una supernova in una galassia vicina. La prima supernaova osservata fu vista dagli astronomi cinesi nel 185 d.C. Quando la formazione della Nebulosa del Granchio fu avvistata circa 800 anni più tardi, questa stella “ospite” era così luminosa che si vide di giorno per settimane.

La luminosità massima della singole esplosioni di supernova è molto simile (si chiamano “candele standard”) perchè le masse esplosive sono simili. Paragonando la luminosità prevista con quella osservata, possiamo calcolare la distanza della galassia ospitante la supernova. Questa tecnica è molto importante nel calcolo delle distanze cosmiche: è il miglior modo per calcolare la distanza di una galassia lontana. E, ovviamente, è un modo per osservare la storia primordiale dell`Universo: nel momento in cui vediamo un cataclisma lontano, la stella stessa è già morta da tempo.

Ovviamente gli astronomi non solo vogliono conoscere la distanza della galassia ospitante la supernova, ma vogliono caratterizzare la supernova stessa. Perciò usano due metodi indiretti: la fotometria e la spettroscopia. La fotometria misura il diminuire della luminosità della supernova nel tempo e la sua luminosità massima: questa è la tecnica usata per calcolare la distanza delle galassia lontane. La spettroscopia permette di identificare gli elementi chimici nella supernova sulla base delle loro lunghezze d’onda caratteristiche (come spiegato in Westra, 2007). Normalmente gli astronomi usano entrambi i metodi per determinare le proprietà della stella morente, come la sua massa, la temperatura e la luminosità.

Supernove vicine?

Finora tutte le supernove osservate erano lontane dalla Terra, ma cosa succederebbe se una stella più vicina divenisse una supernova? Per fortuna le supernove sono abbastanza rare con solo una supernova ogni 50 o 100 anni in una galassia a spirale ordinaria come la Via Lattea. Le ultime supernove furono osservate nella Via Lattea  nel 1572 e 1604, benchè nuvole di polvere vaste e dense potrebbero aver nascosto esplosioni nella parte più lontana della galassia. Il cataclima più recente e relativamente vicino fu SN 1987A, che esplose nel 1987 nella Grande Nuvola di Magellano, una delle più piccole galassie compagne della Via Lattea ad una distanza di circa 160 000 anni-luce (vedi figura); questa esplosione fu visibile ad occhio nudo.  Inoltre gli astronomi osservano centinaia di esplosioni di supernova per anno in altre galassia distante, a volte due contemporaneee nella stessa galassiaw1.

In questa immagine della galassia a spirale NGC 3190 sono segnate le posizioni di SN 2002bo e SN 2002cv
immagine cortesemente concessa da ESO

Fortunatamente non c’è nessuna stella nelle nostre vicinanze immediate (fino a circa 12 anni luce) che possa diventare una supernova in un futuro prevedibile, benchè tuttavia gli astronomi abbiano già identificato alcune possibili supernove. Betelgeuse, la super gigante rossa al bordo sinistro della costellazione di Orione, è la miglior candidata, ma è a circa 450 anni-luce da noi. Si pensa che la zona di sicurezza sia attorno ai 100 anni-luce: trovandosi più vicino, una supernova potrebbe danneggiare seriamente il nostro pianeta. Più preoccupante è IK Pegasi, una stella binaria a circa 150 anni-luce da noi costituita da una nana bianca e da una stella normale che sta invecchiando. Mentre Betelgeuse potrebbe esplodere in ogni momento da domani a migliaia di anni nel futuro, IK Pegasi incontrerà il suo destino fra pochi milioni di anni.

Effetti sulla Terra

Questa nebulosa luminosa e
compatta (SNR 0543-689) è il
resto di un’esplosione recente
di supernova

immagine cortesemente concessa
da ESO
SN 1987A nella Grande Nuvola
di Magellano (segnata con una
freccia)

immagine cortesemente concessa
da ESO

Allora, quali effetti avrebbe sulla Terra un’esplosione di supernova vicina? Le supernove producono una grossa quantità di radiazioni gamma e particelle tipo protoni e neutroni, che hanno un`energia molto elevata e potrebbero distruggere l’atmosfera terrestre, degradando l’ozono e l’ossigeno atomico. Per esempio, i raggi gamma dissociano l’azoto atmosferico (N2) in ossido nitrico (NO) e altri ossidi nitrici (NOx) che catalizzano la scomposizione dell’ozono.

Senza lo strato protettivo dell’ozono,  i raggi ultravioletti del nostro Sole potrebbero raggiungere indisturbati la superficie della Terra e distruggere il fitoplancton (piante microscopiche che vivono nell’acqua). Siccome il fitoplancton è una componente fondamentale della catena alimentare, la sua perdita avrebbe un effetto devastante su moltri altri organismi. La radiazione ad alta energia danneggerebbe inoltre le cellule viventi, causando cancro e mutazioni genetiche: come una dose molto forte di raggi X. È anche possibile che i livelli di elementi radiaoattivi nell’atmosfera aumentino, con effetti dannosi.

Potrebbere essere stata un’esplosione di supernova a causare la distruzione in massa nell’Ordoviciano-Siluriano circa 450 milioni di anni fa. Più della metà delle forme di vita marina furono radiate in questo evento, che è considerato il secondo più grande evento distruttivo sulla Terra in termini di numero di specie estinte. Si crede che l’estinzione fu il risultato sia della distruzione del fitoplancton e sia della riduzione della temperatura globale causata dall’opacità del biossido di azoto (NO2).

È anche possibile che la Terra abbia subito un’esplosione di supernova circa 2.8 milioni di anni fa. Durante questa esplosione, una stella morente libera un’onda di elementi radioattivi che può depositarsi sulla superficie dei pianeti. Elementi radioattivi caratteristici, per esempio il ferro 60, sono stati trovati in perforazioni in profondità del fondale marino. Questo fatto può essere l’evidenza di una supernova, ma il dibattito è ancora in corso. Un’evidenza maggiore di un’esplosione di supernova recente e locale è la Bolla Locale, una cavità ampia 300 anni-luce nello mezzo interstellare dove è situato il nostro Sole. Questa Bolla fu creata da varie esplosioni di supernova, che spazzarono via il mezzo interstellare rarefatto circostante.

Le nostre origini da una supernova

Fortunatamente queste esplosioni gigantesche hanno anche effetti positive. Noi probabilmente dobbiamo la nostra esistenza ad una supernova vicina. L’onda d’urto di una supernova comprime la materia interstellare circostante – una nuvola vasta ma rarefatta di polvere e gas atomico e molecolare – e innesca la formazione stellare. Così forse una supernova ha causato il collasso della nuvola enorme, dalla quale è nato il Sistema Solare.

Inoltre le supernove sono state l’origine di tutto quello che conosciamo: gli uomini e ogni cosa dal più piccolo batterio alla montagna più grande derivano dalle ceneri di stelle. Una stella normale può produrre gli elementi più leggeri, ma le reazioni di fusione che formano gli elementi più pesanti richiedono le enormi temperature e pressioni che prevalgono nelle stelle giganti (per più dettagli, vedi Boffin & Pierce-Price, 2007; Rebusco et al., 2007). Questi elementi vengono formati e dispersi nello spazio interstellare dalle supernove, arricchendo in tal modo le nuvole di materia dalle quali nascono le stelle, i pianeti e la vita. In un certo senso, noi siamo figli di supernove.

Quindi le supernove hanno dato forma al nostro Universo e alla nostra storia. Esse crearono le condizioni per la vita sulla Terra producendo elementi, influenzarono l’evoluzione causando estinzioni in massa e ora, esaminando le supernove, possiamo imparare molto a proposito dell’Universo e di noi stessi.

Educazione e divulgazione nell’ambito dell’EFDA

Molti degli istituti di ricerca sulla fusione nell’Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione hanno un proprio programma di divulgazione che spesso comprende lezioni universitarie e visite a scuole e a centri di ricerca tipo il JET. I dettagli sui singoli istituti di ricerca sono disponibili sul sito dell’EFDAw2. Nell’ambito dell’iniziativa EIROforumw3, l’EFDA partecipa alla rivista “Science in School”, al festival “Science on Stage”w4 e ad altri progetti educativi e di divulgazione.

L’EFDA ha prodotto un opuscolo per le scuole superiori, “Energia, fornire potenza al Vostro mondo”, che dà un’ampia introduzione sul mondo dell’energia. Gli argomenti includono i modi in cui noi usiamo l’energia nella nostra vita di tutti i giorni, da dove arriva l’energia e come affronteremo i nostri bisogni energetici nel futuro.

Per ricevere una copia stampata gratuitamente, disponibile in inglese, danese, spagnolo, francese, tedesco o italiano, mandate un’email a aline.duermaier@efda.org, aggiungendo il vostro nome, indirizzo postale e il numero di copie desiderate (fino a cinque). Si può trovare l’opuscolo anche sul sito dell’EFDA.

L’opuscolo dell’EFDA per le scuole superiori

L’EFDA ha altro materiale educativo disponibile, tra cui un CD-ROM, “Fusione, un’optione energetica per il futuro”, e un poster generale sulla fusione, entrambi possono essere richiesti attreverso il sito dell’EFDA. Il sito fornisce anche informazioni di base e più avanzate sulla fusione nucleare.

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References

Web References

  • w1 – per scoprire quando e dove è scoppiata l’ultima supernova, vedi il sito Supernovae, dove scienziati professionisti e dilettanti danno la caccia e registrano le nuove esplosiosi di suopernova: www.supernovae.net
  • w2 – Il sito dell’Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione Nucleare (EFDA): www.efda.org
  • w3 – Sito dell’EIROforum
  • w4 – Sito di Science on Stage

Institution

EUROfusion

License

CC-BY-NC-ND