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I cicli di vita delle stelle: Come si formano le supernovae

È molto poetico dire che siamo fatti dalla polvere delle stelle. Sorprendentemente, è anche vero! Gran parte dei nostri corpi, e il nostro pianeta, sono fatti di elementi che sono stati creati nelle esplosioni di stelle massicce. Esaminiamo esattamente come può essere.

Cicli di vita delle stelle

Il ciclo di vita di una stella è determinato dalla sua massa. Più grande è la sua massa, più breve è il suo ciclo di vita. La massa di una stella è determinata dalla quantità di materia disponibile nella sua nebulosa, la nube gigante di gas e polvere da cui è nata. Con il tempo, l’idrogeno gassoso nella nebulosa è tirato insieme dalla gravità e comincia a girare, mentre il gas gira più velocemente, si riscalda e diventa una protostella. Alla fine la temperatura raggiunge i 15.000.000 di gradi e la fusione nucleare si verifica nel punteggio della nube. La nube comincia a brillare intensamente, si contrae un po’ e diventa stabile. Ora è una stella di sequenza principale e rimarrà in questo stadio, brillando per milioni o miliardi di anni a venire. Questo è lo stadio in cui si trova il nostro Sole in questo momento.

Mentre la stella di sequenza principale brilla, l’idrogeno nel suo nucleo viene convertito in elio dalla fusione nucleare. Quando la scorta di idrogeno nel nucleo comincia ad esaurirsi e la stella non genera più calore per fusione nucleare, il nucleo diventa instabile e si contrae. Il guscio esterno della stella, che è ancora prevalentemente idrogeno, inizia ad espandersi. Mentre si espande, si raffredda e si illumina di rosso. La stella ha ora raggiunto la fase di gigante rossa. È rossa perché è più fredda di quanto fosse nella fase di stella della sequenza principale ed è una gigante perché il guscio esterno si è espanso verso l’esterno. Nel nucleo della gigante rossa, l’elio si fonde in carbonio. Tutte le stelle si evolvono allo stesso modo fino alla fase di gigante rossa. La quantità di massa di una stella determina quale dei seguenti percorsi del ciclo di vita prenderà da lì.

Il ciclo di vita di una stella di bassa massa (ovale sinistro) e una stella di alta massa (ovale destro).

L’illustrazione qui sopra mette a confronto i diversi percorsi evolutivi delle stelle di bassa massa (come il nostro Sole) e delle stelle di alta massa dopo la fase di redgiant. Per le stelle di bassa massa (a sinistra), dopo che l’elio si è fuso in carbonio, il nucleo collassa di nuovo. Mentre il nucleo collassa, gli strati esterni della stella vengono espulsi. Una planetarianebulosa è formata dagli strati esterni. Il nucleo rimane come nana bianca e alla fine si raffredda per diventare una nana nera.

Sulla destra dell’illustrazione c’è il ciclo di vita di una stella massiccia (10 volte o più le dimensioni del nostro Sole). Come le stelle di bassa massa, le stelle di alta massa nascono nelle nebulose e si evolvono e vivono nella Sequenza Principale. Tuttavia, i loro cicli di vita iniziano a differire dopo la fase di gigante rossa. Una stella massiccia subirà un’esplosione di supernova. Se il residuo dell’esplosione è da 1,4 a circa 3 volte più massiccio del nostro Sole, diventerà una stella di neutroni. Il nucleo di una stella passiva che ha più di circa 3 volte la massa del nostro Sole dopo l’esplosione farà qualcosa di molto diverso: la forza di gravità supera le forze nucleari che impediscono ai protoni e ai neutroni di combinarsi. Il nucleo viene così inghiottito dalla sua stessa gravità. Ora è diventato un buco nero che attrae facilmente qualsiasi materia ed energia che gli si avvicina. Quello che succede tra la fase di gigante rossa e l’esplosione della supernova è descritto di seguito.

Dalla gigante rossa alla supernova: il percorso evolutivo delle stelle di massa elevata

Una volta che le stelle che sono 5 volte o più massicce del nostro Sole raggiungono la fase di gigante rossa, la loro temperatura interna aumenta perché gli atomi di carbonio sono formati dalla fusione degli atomi di elio. La gravità continua a riunire gli atomi di carbonio mentre la temperatura aumenta e ulteriori processi di fusione procedono, formando ossigeno, azoto e infine ferro.

Le due supernovae, una giallo rossastra e una blu, formano una coppia stretta appena sotto il centro dell’immagine (alla destra del nucleo della galassia) Image Credit: C. Hergenrother, Osservatorio Whipple, P. Garnavich, P.Berlind, R.Kirshner (CFA).

Quando il nucleo contiene essenzialmente solo ferro, la fusione nel nucleo cessa, perché il ferro è il più compatto e stabile di tutti gli elementi. Ci vuole più energia per rompere il nucleo di ferro che quello di qualsiasi altro elemento. La creazione di elementi più pesanti attraverso la fusione del ferro richiede quindi un input di energia piuttosto che la liberazione di energia. Poiché l’energia non viene più irradiata dal nucleo, in meno di un secondo la stella inizia la fase finale del collasso gravitazionale. La temperatura del nucleo sale a oltre 100 miliardi di gradi mentre gli atomi di ferro vengono schiacciati insieme. La forza repulsiva tra i nuclei supera la forza di gravità, e il nucleo si ritira dal cuore della stella in un’onda d’urto, che noi vediamo come un’esplosione di supernova.

Quando lo shock incontra il materiale negli strati più meridionali della stella, il materiale viene riscaldato, fondendosi per formare nuovi elementi e isotopi radioattivi. Mentre molti degli elementi più comuni si formano attraverso la fusione nucleare nei nuclei delle stelle, ci vogliono le condizioni instabili dell’esplosione di una supernova per formare molti degli elementi più pesanti. L’onda d’urto spinge questo materiale fuori nello spazio. Il materiale che viene esploso lontano dalla stella è ora conosciuto come un resto di supernova.

Per lo studente

Utilizzando le informazioni di cui sopra, (e altre fonti di informazione dalla biblioteca o dal web), fai il tuo diagramma del ciclo di vita di una stella di grande massa.

Per lo studente

Utilizzando il testo, e qualsiasi riferimento esterno stampato, definisci i seguenti termini: protostella, ciclo vitale, stella di sequenza principale, gigante rossa, nana bianca, nana nera, supernova, stella di neutroni, pulsar, buco nero, fusione, elemento, isotopo, raggi X, raggi gamma.