Il ciclo vitale di una stella

1. Come nascono le stelle e da dove viene l'energia di una stella?

• Come nascono le stelle?
  Guardando il cielo notturno si potrebbe pensare che la maggior parte dello Spazio sia vuota, ma in realtà tra una stella e l’altra ci sono molecole di gas, soprattutto del più leggero degli elementi: l’idrogeno.
  Queste molecole possono andare alla deriva indefinitamente, ma in alcune zone c’è una maggior quantità di gas che in altre.
  Là dove queste “nubi molecolari" sono particolarmente dense, si può arrivare a un attrazione gravitazionale tale da far concentrare le molecole di gas.
  Ciò può avvenire in seguito a moti casuali, ma a volte è scatenato da eventi nelle vicinanze.
  Un esempio è l'onda d’urto dell’esplosione che avviene a volte come sussulto finale di una stella: può far radunare le molecole e così la morte di una stella dà l’avvio alla nascita di un’altra.
  La gravità avvicina tra loro sempre più le molecole, che così si riscaldano proprio come succede alla pompa per la bicicletta quando comprimiamo l’aria al suo interno.
  Ma nella stella questa compressione raggiunge livelli tali da trasformare una densa sfera di plasma in un reattore nucleare che emette quantità enormi di energia.
• Da dove viene l'energia di una stella?
  Via via che il gas si comprime formando una stella, si riscalda fino a formare un plasma e comincia a emettere luce.
  Quando il materiale continua a condensarsi, nel corso di centinaia di migliaia di anni, la temperatura e la pressione aumentano sempre più.
  Nel nucleo di una stella come il Sole la temperatura può facilmente raggiungere i 10.000.000°C.
  In queste condizioni si può verificare un processo detto fusione nucleare. Nella fusione si combinano elementi leggeri che formano elementi più pesanti.
  La tipica reazione stellare parte da nuclei di idrogeno (gli ioni che rimangono quando a un atomo di idrogeno viene tolto un elettrone) e costruisce un nucleo più complesso, formando l’elemento successivo: l'elio.
  Quando gli ioni giungono a distanze brevissime, una forza attrattiva - la cosiddetta interazione forte - supera la repulsione elettrica data dalle loro cariche positive.
  Persino con il calore e la pressione del nucleo di una stella, però, gli ioni non vengono compressi al punto da permettere all'interazione forte di prendere il sopravvento.
  La stella vive, quindi, anche grazie a un bizzarro fenomeno quantistico detto “effetto tunnel”, che permette a particelle quantistiche come gli ioni di oltrepassare una barriera repulsiva come se non ci fosse e di arrivare abbastanza vicini da fondersi.
  Si ottiene così un flusso di energia grazie a una reazione di fusione nucleare, la stessa fonte di energia che provoca effetti devastanti nella bomba a idrogeno.
  Una parte di questa energia si libera in forma di calore e una parte come luce: in questo modo i fotoni cominciano a percorrere il cammino verso l'esterno dell'enorme sfera della stella.
  Ma per i fotoni è molto facile essere assorbiti da un'altra parte del plasma e poi riemessi successivamente: di fatto, la luce emessa vicino al centro di una stella può impiegare milioni di anni per emergere. La quantità di energia prodotta da una stella è immane.
  Il Sole, per esempio, emette qualcosa come 400 miliardi di miliardi di megawatt, di cui circa 89 miliardi colpiscono la Terra.
  Sebbene sia solo una porzione minuscola dell'emissione solare, questa energia è pari a migliaia di volte quella usata attualmente dagli esseri umani.

2. Il Sole è una stella tipica e che cosa accadrà quando il Sole esaurirà l'idrogeno?

• Il Sole è una stella tipica?
  Il Sole ha un aspetto molto diverso dai minuscoli punti luminosi con cui si mostrano a noi le altre stelle, ma è solo per via della distanza.
  La stella più vicina dopo il Sole, Proxima Centauri, è a una distanza circa 250mila volte maggiore.
  Sebbene a prima vista tutte le stelle visibili a occhio nudo abbiano un aspetto simile, variano per colore e luminosità.
  Secondo la terminologia degli astronomi, che a volte lascia perplessi, il Sole è una nana gialla (perplessi perché non è giallo e non è particolarmente piccolo).
  Il Sole, in realtà, è bianco: appare giallo solo perché la parte della sua luce più vicina all'azzurro è dispersa dall'atmosfera e dà luogo al colore del cielo.
  E il termine “nana” viene usato per contrapporre stelle come il Sole ad altre veramente enormi, note come giganti. In realtà, il Sole si trova nel 10 per cento delle stelle più luminose della Via Lattea.
  Come la maggior parte delle stelle, il Sole si trova nella cosiddetta sequenza principale, cioè una curva al centro dello schema dei diversi tipi di stelle noto come diagramma Hertzsprung-Russell.
  Le stelle della sequenza principale sono tutte nane, e il loro colore varia dal blu al giallo. A ogni classe è assegnata una lettera: l'ordine è O, B, A, F, G, K, M, dalle stelle O, le più calde, alle M, le più fredde.
  Il Sole è una stella di classe G, verso il centro dello spettro.
• Che cosa accadrà quando il Sole esaurirà l'idrogeno?
  Via via che una stella come il Sole trasforma l’idrogeno in elio, diventa più calda.
  Ciò avviene perché l’elio occupa meno spazio, il che permette al nucleo del Sole di contrarsi e generare più calore: in questo modo la stella risale la sequenza principale.
  Il Sole esiste da circa 4,5 miliardi di anni, nel corso dei quali la sua luminosità è già aumentata circa del 30 per cento: complessivamente, trascorrerà dieci miliardi di anni nella sequenza principale.
  Ci sono probabilmente altri due o tre miliardi di anni, prima che il Sole diventi così caldo da rendere inabitabile la Terra.
  Quando la grande maggioranza dell’idrogeno del nucleo si esaurisce, una stella non può più rimanere nella sequenza principale.
  Come altre stelle simili, si prevede che il Sole diventi una gigante rossa (che in genere ha un colore arancione), fino a diventare circa 200 volte più grande di adesso.
  Questo processo si verifica perché il nucleo, privo di reazioni basate sull'idrogeno che lo tengano “gonfio”, collassa e genera una grande quantità di energia che spinge verso fuori le parti esterne della stella.
  L'astro continua a essere alimentato dalla fusione dell'idrogeno, che però a quel punto si diffonde su una sfera maggiore, riducendo la temperatura della superficie e dando luogo a un colore più rosso.
  Il Sole rimarrà una gigante rossa per qualcosa come un miliardo di anni.
• E dopo?
  Quando avrà finito quasi tutto l'idrogeno, il Sole raggiungerà un punto in cui potrà aver luogo la fusione dell’elio.
  Con un processo rapido detto “flash dell'elio”, circa un decimo di questo elemento del Sole si trasformerà in carbonio (sebbene si chiami flash per via dell’enorme rilascio di energia, non sarà visibile, perché la luce non uscirà dal Sole).
  Per il successivo centinaio di milioni di anni, il Sole brucerà il resto del suo elio, dopodiché subirà una serie di nuovi collassi del nucleo, fino al punto in cui avrà espulso il grosso degli strati esterni.
  Questi ultimi formeranno una nube luminosa di gas detta “nebulosa planetaria” attorno ai resti della stella.
  Ma anche questo nome è fuorviante: le prime volte che furono osservate attorno a una stella, si credeva che queste nubi fossero provocate dai pianeti.
  Il nucleo solare che rimane sarà molto più caldo della superficie originaria e formerà una stella bianca in miniatura - forse di dimensioni simili alla Terra - al centro della nebulosa: una nana bianca.
  A questo punto non si verifica più nessuna fusione e la stella si spegne lentamente nel corso di miliardi di anni.
  Dovrebbe diventare, prima o poi, una nana nera, che non emette luce quasi per niente, ma non ce n’è ancora nessuna perché l'Universo non esiste da un tempo sufficiente perché si siano formate.

3. Che cosa succede alle stelle più grandi del Sole e possiamo vedere le supernovae dalla Terra?

• Che cosa succede alle stelle più grandi del Sole?
  Le luminosissime stelle O della sequenza principale e le stelle B, le più pesanti in assoluto, seguono nel corso della loro evoluzione una strada diversa dal Sole.
  Esse, che in genere hanno una massa 10 o più volte quella del Sole, hanno vite cortissime, che vanno dalle centinaia di migliaia alle decine di milioni di anni.
  Per via della loro maggior attrazione gravitazionale, bruciano più velocemente l'idrogeno contenuto nel nucleo e si espandono a formare supergiganti rosse.
  In queste ultime l'elio comincia a fondere appena si esaurisce l'idrogeno del nucleo, seguito da ulteriori reazioni di fusione, che producono non solo carbonio ma anche gli elementi più pesanti, fino al ferro, oltre al quale non può procedere la fusione provocata dalla gravità.
  Quando il nucleo di ferro collassa, si ha un'immane esplosione: una supernova.
• Possiamo vedere le supernovae dalla Terra?
  Le supernovae producono immani lampi di luce, cosicché una stella che di solito non si vede perché è troppo lontana diventa improvvisamente visibile.
  In cielo si osserva, apparentemente, una nuova stella: di qui il nome originario “nova”, dal latino stella nova (la terminologia è poi cambiata: per “nova” si intende adesso un tipo speciale di esplosione stellare in cui una nana bianca risucchia materiale da una stella vicina, e quindi la “nova" originaria fu ribattezzata “supernova”).
  Le supernovae possono essere così luminose da essere brevemente visibili di giorno.
  Via via che si spengono, si lasciano dietro un ampio vortice di detriti stellari detto nebulosa: la più nota è quella del Granchio, il resto di una supernova osservata sulla Terra nel 1054 e registrata dagli astronomi cinesi.
  Grazie ai telescopi moderni possiamo rilevare le supernovae di galassie al di fuori della Via Lattea e, visto che certi tipi di supernova hanno luminosità simile, si possono usare come “candele standard” per misurare a che distanza si trova una galassia.

4. Che cosa succede dopo una supernova e in cielo possiamo osservare tutte le diverse fasi di una stella?

• Che cosa succede dopo una supernova?
  Nel corso di una supernova le parti esterne della stella vengono scagliate in fuori da un'onda di pressione così intensa che si possono formare atomi più pesanti del ferro, come il rame e l'oro.
  I resti dell’interno della stella continuano a collassare e, a seconda delle dimensioni, formano o una stella di neutroni - un oggetto estremamente denso composto esclusivamente di neutroni - o un buco nero (se il collasso è inarrestabile e la stella finisce con il diventare un punto privo di dimensioni con un'attrazione gravitazionale così forte che non ne può sfuggire neppure la luce).
• In cielo possiamo osservare tutte le diverse fasi di una stella?
  È possibile osservare la maggior parte dei tipi di stelle, con l'eccezione delle nane nere.
  Le nane sono di gran lunga le stelle più comuni della Via Lattea, ma ci sono anche giganti rosse, come Aldebaran, che si trova nella costellazione del Toro, e supergiganti, come Rigel, la stella in basso a destra della costellazione di Orione.
  Le stelle di neutroni e i buchi neri non si possono osservare direttamente, ma ne possiamo rilevare gli effetti.
  Le stelle di neutroni, per esempio, in genere ruotano velocemente ed emettono fasci simili a quelli dei fari, che noi vediamo come fonti di luce lampeggiante e chiamiamo pulsar.
  E l'esistenza dei buchi neri si può dedurre dalla loro azione sulla materia che li circonda, che emette radiazioni mentre precipita verso la stella collassata.
  Le più difficili da individuare sono le nane marroni, che sono una via di mezzo tra i pianeti giganti come Giove e le stelle.
  Non hanno una massa sufficiente per fondere l'idrogeno, e quindi emettono solo un debole lucore dato dal riscaldamento che deriva dalla contrazione: in sostanza, sono stelle mancate.

5. Quello che non sappiamo ancora e spiegalo ad un amico

• QUELLO CHE NON SAPPIAMO ANCORA
  1) QUALI CONDIZIONI HANNO RESO POSSIBILE LA FORMAZIONE DELLE STELLE?
  Inizialmente l'Universo era troppo ricco di energia perché potessero formarsi le stelle.
  Ma, via via che si espanse e si raffreddò, la gravità potè formare ammassi di gas.
  Il satellite europeo Planck fa pensare che le stelle potessero formarsi già 500mila anni dopo il Big Bang, ma i telescopi spaziali e i rivelatori del fondo cosmico a microonde daranno maggiori conferme sull'Universo delle origini.
  2) IL MECCANISMO DELLE SUPERNOVAE
  Ci sono alcune teorie su come funzionano le supernovae, ma non ci sono prove a sufficienza che esse siano corrette.
  Per esempio, spesso dall'esplosione di una supernova si allontana a grande velocità una stella di neutroni, ma nessuno sa perché la deflagrazione preferisca una specifica direzione.
  Alcune delle più utili osservazioni di supernovae vengono dai telescopi spaziali a raggi X e gamma, come Chandra e NuSTAR, che forniscono sempre più dati che ci possono aiutare a capire queste enormi esplosioni stellari.
  3) ESISTONO STELLE DI POPOLAZIONE III?
  Le stelle sono classificate come di popolazione I (ricche di metalli) o di popolazione II (povere di metalli).
  Le stelle di popolazione II, più vecchie, contengono meno elementi pesanti di quelle più giovani, di popolazione I, che si formarono da gas arricchiti da elementi pesanti delle supernovae.
  I modelli cosmologici fanno però ritenere che debbano esistere anche stelle enormi e antichissime di popolazione III, composte quasi esclusivamente di idrogeno ed elio e formatesi subito dopo il Big Bang.
  Non sono ancora state osservate, ma il Telescopio spaziale James Webb - che verrà lanciato nel 2018 - potrebbe porre rimedio a questo vuoto di conoscenza.

• SPIEGALO AD UN AMICO
  1)  È NATA UNA STELLA
  Le stelle si formano quando la gravità compatta nubi di gas. Via via che le particelle di gas si trovano sempre più vicine, si riscaldano.
  A un certo punto sono così compresse che cominciano a unirsi, producendo energia per fusione nucleare: la nube è diventata una stella.
  2)  LE STELLE SONO IRREQUIETE
  Non tutte le stelle sono uguali: differiscono per dimensioni, luminosità e colore. Ma, soprattutto, evolvono nel tempo.
  Per la maggior parte, le stelle si fanno più luminose nel corso del loro ciclo vitale, finché esauriscono il combustibile del nucleo, e a quel punto molte di loro si gonfiano e formano un'enorme "gigante”.
  3) TUTTO DEVE FINIRE
  La fase gigante non dura per sempre.
  Una stella di dimensioni medie, diventata gigante, probabilmente espellerà il suo strato esterno sotto forma di nube di gas, lasciandosi dietro una piccola nana bianca.
  Le supergiganti, ancora più grandi, subiscono esplosioni apocalittiche dette supernovae, in cui generano elementi pesanti e lasciano una stella di neutroni o un buco nero.