Scienza e tecnologia

Siamo davvero figli delle stelle? – Breve storia dell’evoluzione stellare

Evoluzione stellare

Nel 1977 usciva una canzone destinata a diventare un’icona della musica leggera: “Figli delle stelle”, scritta e cantata da Alan Sorrenti. Il verso che apre il ritornello, “noi siamo figli delle stelle”, è entrato nel nostro immaginario collettivo al punto che tutti lo avremo sentito dire almeno una volta. L’espressione, però, non è solo frutto della fantasia di un cantautore. La Terra, il Sistema Solare e più in generale buona parte della materia che costituisce le galassie del nostro universo, sono frutto di processi che avvengono proprio all’interno delle stelle. Andiamo dunque ora a studiare nel dettaglio la stupefacente macchina dell’evoluzione stellare.

Quando tutto è cominciato

Gli scienziati sono ormai d’accordo sul fatto che sia stato il Big Bang, ben 13.7 miliardi di anni fa, a dare origine all’Universo. Nei suoi primi istanti di vita, però, l’Universo era molto diverso da quello che attualmente possiamo osservare e studiare. La stessa materia non aveva ancora la forma per essere definita tale; al suo posto c’era il plasma.

Se avete un po’ di dimestichezza con la fisica, non vi sembrerà strano sentir parlare di nuclei atomici e di elettroni. Infatti la materia ordinaria è essenzialmente costituita da una combinazione ordinata di gruppi di atomi e molecole, in cui elettroni e nuclei sono tenuti insieme dalla forza elettrostatica. I nuclei atomici, popolati di protoni, hanno infatti una carica elettrica positiva e gli elettroni hanno carica negativa. Come avrete certamente letto o studiato da qualche parte, cariche elettriche opposte si attraggono e tendono, in un certo senso, a rimanere legate le une alle altre.

Quando però ci si trova in particolari condizioni fisiche come a temperature molto elevate o ad alte densità la materia non riesce ad aggregarsi e nuclei ed elettroni formano un unico mezzo indistinto in cui non esistono legami tra le singole componenti. L’universo era dunque disordinato e caotico e di fatto gli unici nuclei atomici presenti erano quelli di Idrogeno.

La nascita di una stella

Successivamente, la materia, a causa della forza di gravità, iniziò progressivamente ad agglomerarsi in alcuni punti. Possiamo ad esempio immaginare che l’Universo sia un enorme foglio di carta velina uniforme. In un primo momento il foglio è perfettamente liscio. Se poi andiamo ad accartocciare alcuni punti della sua superficie ci troviamo davanti ad un piano caratterizzato da zone in cui la carta si ripiega su se stessa. Un meccanismo simile è, nel nostro Universo, alla base della formazione di concentrati di materia più densi, che in un secondo momento danno vita a nubi di gas caldo, stelle e ammassi di stelle più o meno lontani che comunemente chiamiamo galassie.

In sostanza, nuclei di idrogeno, che costituiscono buona parte della materia primordiale, addensandosi, formano degli agglomerati nei quali sale progressivamente la temperatura. Si ha così una prima traccia di una proto-stella in contrazione. Quando nelle parti più interne si arriva a temperature sufficientemente elevate si innescano delle reazioni termonucleari, processi fisici in cui i nuclei di idrogeno vengono fusi tra loro per dare origine a nuclei di elio (detti anche particelle alpha). Nel momento in cui tali reazioni si stabilizzano possiamo affermare che la stella ha raggiunto la sua “maturità”.

Le fornaci dell’universo

Come già evidenziato, nella prima parte della sua vita, una stella produce elio partendo da nuclei di idrogeno. Questa fase ha una durata che varia da qualche milione fino a cento milioni di anni. Tale variabilità nelle durate dei periodi evolutivi delle stelle dipende dalla loro massa. Contrariamente a quanto si possa pensare, infatti, stelle molto massicce, che hanno temperature più elevate, sviluppano reazioni nucleari in tempi molto minori. Le stelle più piccole, come ad esempio il sole, invece, hanno temperature più basse e vivono più a lungo.

Quando l’idrogeno, nella parte più interna del nucleo stellare inizia ad esaurirsi, la stella avvia l’espansione e si dirige verso la cosiddetta fase di Gigante Rossa. A questo punto siamo nelle condizioni per arrivare all’innesco della fusione dell’elio nel nucleo della stella. La stella torna nuovamente a contrarsi su se stessa e l’elio viene convertito in nuclei di carbonio, elemento chimico base di tutti i composti organici.

Procedendo sempre allo stesso modo e alternando fasi di contrazione a fasi di espansione, nel corso della sua evoluzione la stella svilupperà reazioni nucleari successive che produrranno in sequenza neon, ossigeno, silicio e ferro. Anche altri elementi sono presenti, come litio, berillio e boro con il ruolo di catalizzatori per le reazioni di fusione dei nuclei di idrogeno. In pratica, vengono prodotti come elementi intermedi che, in un certo senso, supportano la reazione principale.

Un finale “esplosivo”

L’ultimo elemento chimico prodotto dalle reazioni termonucleari è, appunto, il ferro. Arrivati a questo punto non si può più andare avanti poiché fusioni successive sarebbero endotermiche, richiederebbero cioè un contributo esterno di energia per poter avvenire. Una stella, al contrario, per poter funzionare deve, proprio a partire dai processi citati sopra, produrre energia necessaria a contrastare la forza di gravità che tenderebbe a fare implodere la stella stessa.

Quando si è ormai formato un nucleo inerte di ferro gli strati più esterni della stella non riescono più a sorreggersi e iniziano a precipitare verso il centro (dobbiamo sempre tener presente che le stelle sono una sorta di enormi ammassi di materia gassosa). Nel momento in cui tali strati urtano contro il nucleo ferroso, tendono a “rimbalzare” e a tornare indietro causando un vero e proprio processo esplosivo detto Supernova. Siamo davanti ad un cataclisma nel corso del quale tutta quanta la materia stellare, eccetto il nucleo, viene espulsa verso l’esterno a velocità considerevoli. Gli elementi chimici prodotti fino ad ora vengono dunque rilasciati. Ci sono inoltre le condizioni adatte per avere la cattura di protoni e neutroni liberi da parte dei nuclei già formati in precedenza. Si creano quindi anche nuclei atomici più pesanti del ferro.

I Supernova remnants

Eppure le stelle non muoiono mai definitivamente. Lasciano dei resti stabili, in inglese remnants, che potenzialmente possono durare per sempre. Quelle che hanno masse piccole in genere non riescono ad innescare reazioni nucleari che coinvolgano la fusione del carbonio in neon e non arriveranno mai ad esplosioni del calibro della Supernova. In questo caso abbiamo sempre l’espulsione degli strati più esterni sotto forma di nebulosa di gas. Al centro resta una nana bianca, cioè una stella che non produce più energia ed è composta essenzialmente da carbonio e ossigeno.

Per quanto riguarda le stelle di massa elevata, invece, a seguito dell’esplosione di Supernova ci sono due possibilità. In alcuni casi si formano le cosiddette stelle di neutroni, piccoli oggetti astrofisici che hanno approssimativamente un raggio di una decina di chilometri e una massa di circa una volta e mezza quella del sole. Come si può dedurre, si tratta di corpi estremamente compatti che hanno densità mostruose. Fisicamente sono originate a partire dal nucleo di ferro rimanente dopo la Supernova. Tale nucleo è sottoposto ad una pressione sufficiente ad addensare così tanto la materia che i singoli nuclei atomici perdono la loro identità generando un unico ed uniforme agglomerato di neutroni.

In alternativa, per stelle che inizialmente hanno masse superiori a 25 volte quella del sole, la Supernova porta alla formazione di un buco nero. Questi oggetti hanno densità ancora più elevate rispetto alle stelle di neutroni e generano un campo gravitazionale così elevato che neanche la luce riesce a sfuggirne.

Oltre le stelle

Giunti a questo punto risulta chiaro che le stelle sono il motore fondamentale dell’Universo. Proprio grazie al loro “lavoro” sono state prodotte tutte le componenti principali della materia. Perciò si può dire che in qualche modo siamo proprio “figli delle stelle”. Manca però un tassello fondamentale. Infatti tutta la comunità di astrofisici e astronomi è convinta che l’Universo sia in realtà per l’80 % costituito da materia oscura. Tale componente certamente non è prodotta dalle fornaci stellari (non conosciamo ancora le particelle fondamentali che la costituiscono) e tuttora ne è quasi del tutto ignoto il comportamento. Resta dunque aperta un’enorme finestra per la ricerca futura.

Diego Bottoni

(In copertina Greg Rakozy da Unsplash)


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