Implosione gravitazionale e Supernovae

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14/02/2014 15:26 - 09/02/2017 15:37 #125 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Implosione gravitazionale e Supernovae
Implosione gravitazionale e Supernovae
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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Gli articoli del gruppo Storie di quarks nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a dare sinteticamente una visione unitaria di argomenti il cui legante concettuale è il trattare di “insiemi di quarks”. Il filo conduttore della loro sequenza è illustrato nel primo articolo Quarks nell’evoluzione dell’Universo e consiste nel seguire la linea temporale dell’evoluzione dell’Universo.

Con Quarks e gluoni: c’era una volta … siamo partiti dal “plasma di quarks e gluoni” negli istanti iniziali dell’Universo. Seguendo il filo della sua evoluzione temporale, abbiamo visto come i quarks aggregandosi hanno formato il mondo attorno a noi. Con gli ultimi articoli, dei quali questo è il primo, torniamo nella fantastica realtà del Cosmo per giungere a parlare degli estremi stati di aggregazione dei quarks in Stelle di neutroni e buchi neri. Quest’articolo parla di come nascono, nei processi che avvengono quando le stelle non sono più alimentate le reazioni nucleari che le mantengono attive.

L’articolo Fusione nucleare nel gruppo Il nucleo atomico è complementare a questo.
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Fig. 1. Vergine, Bambino e stella di Betlemme (II-III secolo)
Catacombe di Priscilla, Roma
Immagine Frederica.com
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Fig. 2. I Magi seguono la stella di Betlemme (circa 500)
Basilica di S. Apollinare Nuovo, Ravenna
Immagine Il Planetario - Ravenna

Cometa, Supernova o … ?

Le Supernovae si accendono frequenti ma sono difficilmente osservabili nella multitudine di galassie lontane. Sono rarissime quelle storicamente accertate nella nostra galassia (quali quelle osservate da Brahe nel 1572 e da Keplero nel 1604) o alla sua periferia come quella del 1987, così generosa per la Scienza. Ma da tempi immemorabili la civiltà umana è attenta osservatrice del Cielo. Iniziamo con il portarle vicino alle nostre radici, se così si può dire di stelle.

Dice il Vangelo: “Ecco apparire dall'Oriente a Gerusalemme alcuni Magi, i quali andavano chiedendo dove fosse nato il Re dei Giudei, perché - dicevano - avevano visto la sua stella al suo sorgere ed erano venuti ad adorarlo [...]. Allora Erode, accolti segretamente i Magi, si informò accuratamente da loro circa l'epoca in cui la stella era apparsa [...]. Udito il re, essi partirono ed ecco, la stella che avevano visto al suo sorgere, apparve di fronte a loro, finché si arrestò sul luogo dove stava il Bambino” (Matteo II, 1-2).

Secondo Aristotele, i “fenomeni” ( dal greco ϕαίνομαι: mostrarsi, apparire) erano concessi solo all’imperfetta Terra e ai suoi abitanti. Direi fortunatamente, come ci rassicura Rita Levi Montalcini dedicando all’ Elogio dell’imperfezione il racconto della sua esperienza umana e professionale. Il Cielo pagava il dover essere perfetto a tutti i costi con una costrizione all’immutabilità e quindi alla privazione dallo “sfizio” di fenomeni. Una reale apparizione della “stella di Betlemme” ai Magi mal si accomodava con la visione aristotelica del Cielo. La sua attribuzione a una manifestazione divina sarebbe quindi apparsa anche come logicamente coerente con un soccorso a Aristotele. Questa considerazione accentua la curiosità sulla sua possibile reale natura.

Si pose anche il problema pratico della rappresentazione della stella di Betlemme nell’iconografia religiosa. Verosimilmente esso fu brillantemente risolto nel 1301 dalla cometa di Halley , mentre si trovava a passare da lì. Per l’iconografia una cometa andava alla perfezione: poteva realmente apparire nel Cielo anche fuori programma aristotelico e la coda era simbolicamente un accessorio interessante come segnaletica direzionale per indicare più chiaramente la strada ai Magi, non offerto da una banale stella a punte come per i biscotti. Così Giotto di Bondone (circa 1267-1327) dipinse la stella di Betlemme nell’affresco della Natività della Cappella degli Scrovegni (1303-1305) a Padova. Da allora “non c’è stella senza coda”, dalle nostre case al Vaticano, ed è da tutti accettata a cervello spento la denominazione di “stella cometa”, totalmente incongrua anche per scienziati fai-da-te.

Il rischio d’incongruenza non si sarebbe posto con l' iconografia cristiana antica , ove la stella non ha coda. La figura 1 mostra un affresco paleocristiano nelle Catacombe_di_Priscilla con Vergine, Bambino e un uomo che indica una stella a punte, presumibilmente la stella di Betlemme. La coda non appare neppure qualche secolo più tardi, nello splendido mosaico (figura 2) di S. Apollinare Nuovo a Ravenna, ricca capitale di Esarcato Bizantino (VI-VIII secolo).

Cometa, Supernova o … ? Una tale curiosità non va delusa. Il dibattito è antico e multiforme. La Scienza ha mutato il dogma d’immutabile perfezione del Cielo in stupore e meraviglia per i fenomeni nel Cosmo, ivi compresa la comparsa di comete – mobili e vicine - e Supernovae. Esse sono corpi celesti totalmente diversi e si può analizzare in quest’ottica il racconto evangelico, senza trarne gran lume.

Le comete sono corpi celesti relativamente piccoli, simili ad asterodi ma composte prevalentemente di sostanze volatili. Esse hanno spesso orbite ellittiche e possono quindi avvicinarsi alla Terra. La sublimazione delle sostanze volatili quando la cometa è in prossimità del Sole le rende vistosamente visibili, con chioma (dalla quale il nome dal greco κομήτης: chiomato) e coda.

Dal punto di vista scientifico non appaiono elementi che possano fare storicamente identificare la stella di Betlemme con una cometa o con una Supernova, ma di certo le Supernovae sono corpi celesti di gran lunga più importanti, complessi, misteriosi e affascinanti delle comete. Dedichiamoci quindi a comprenderle meglio, a cominciare dalla loro origine: l’implosione gravitazionale di una stella dopo che si rotto l’equilibrio che le mantiene attive.
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Fig. 3. Georges de la Tour
Maddalena Penitente (1638-40)
(particolare)
Los Angeles County
Museum of Art
Immagine The morning bark
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Fig. 4. Equilibrio di una stella (a sinistra) e
innesco del collasso gravitazionale (a destra)
Immagine Via Lattea



Stelle e candele

In una candela , la cera sciolta dalla fiamma sale lungo lo stoppino per capillarità , viene vaporizzata dalla fiamma e brucia a sua volta. E’ un processo tecnicamente detto “a retroazione”. La stabilità della luce emessa è il risultato di un equilibrio raggiunto tra il calore sviluppato dalla combustione e quello necessario per sciogliere e vaporizzare la cera (o l’olio se è un lume a olio). L'incenerimento dello stoppino limita la sua porzione porzione esposta, mantenendo una combustione costante. Lo mostra in figura 3 un dettaglio di un dipinto dello "specialista" Georges de La Tour (1593-1652).

Fusione nucleare descrive le reazioni di fusione nucleare che producono energia all’interno delle stelle e in particolare del Sole. La figura 4 a sinistra mostra schematicamente la condizione di stabilità della stella, e quindi della luce emessa. L’attrazione gravitazionale tende a contrarre la stella e aumentare la produzione di energia. L’energia prodotta provoca una retroazione mediante la pressione esercitata verso l’esterno dalla radiazione emessa. La retroazione stessa ("negativa") richiama le stelle verso la condizione di equilibrio, come la forza di gravità si oppone allo spostamento di un pendolo e lo richiama verso la sua posizione di equilibrio.


Collasso stellare

Le crisi energetiche colpiscono anche le stelle. Quando termina la scorta di nuclei che alimentano le reazioni di fusione nucleare, l’attrazione gravitazionale non è più contrastata dalla pressione verso l’esterno indotta dall’energia sprigionata nelle reazioni nucleari e si prende una rivincita clamorosa nel determinare uno drammatico “collasso” della stella.

Se la massa iniziale della stella è di almeno circa 8 masse solari, si ha una “implosione gravitazionale” accompagnata alla “esplosione” di una Supernova. Il fenomeno è complesso e tuttora in larga parte misterioso, con svolgimento diverso secondo la massa iniziale e la composizione chimica. Il modello sotto delineato ne descrive uno, in modo semplificativo. Esso basta per capire l’essenza del fenomeno, che come mostrato in Neutrini e implosione gravitazionale si svolge in tempi da centometrista.


Implosione gravitazionale

La stella è globalmente neutra e il suo interno è gremito di elettroni, liberi perché l’energia di agitazione termica annienta ogni legame atomico e ionizza tutto. L’enorme energia capitalizzata come energia potenziale gravitazionale e liberata nel collasso si trasmette anche agli elettroni. Se la massa iniziale della stella è sufficientemente grande (come detto sopra almeno circa 8 masse solari) essi diventano capaci di “entrare” (per dirla in modo figurato) nei nuclei.
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Fig. 5. Un protone cattura un elettrone e si trasforma in un neutrone, emettendo un neutrino
Immagine Michael Richmond
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Nell’usuale decadimento beta , la massa leggermente più elevata del neutrone ne permette la trasformazione spontanea in protone, con emissione di un elettrone e di un anti-neutrino. Entrando nel nucleo e interagendo con i protoni, gli elettroni provocano un processo sostanzialmente inverso rispetto al decadimento beta del neutrone: un elettrone interagisce con un protone, trasformandolo in neutrone con emissione di un neutrino (figura 5).

Maurits Cornelis Escher (1898-1972) mostra in figura 6 un fuoco d’artificio che esplode in cielo. L’esplosione avviene quando il fuoco della miccia accesa al lancio raggiunge la riserva di esplosivo contenuto nel razzo e ne libera l’energia. Tramite il processo suddetto, gli elettroni sono la miccia per far scattare una nuova fase del collasso.

Con la trasformazione dei protoni in neutroni, le forze elettromagnetiche repulsive tra protoni spariscono e assieme ad esse l’ostacolo a un totale collasso. Avviene una “implosione” seguita da una “esplosione” causata dall’ulteriore energia liberata. Il materiale gassoso così espulso è visto come una nuova stella di straordinaria luminosità e vita temporanea: una Supernova. La figura 7 mostra la Supernova 1987A , apparsa nel 1987 in prossimità della nostra Galassia. Il discorso su di essa continua in Neutrini e implosione gravitazionale. Fu un rarissimo evento: è puntualizzato in Supernovae, ove è dato un loro quadro generale.
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Fig. 6. Maurits C. Escher
Fuochi d’artificio (1933)
Immagine Wikipaintings
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Fig. 7. Prima e poco dopo l’esplosione della Supernova 1987A
Anglo Australian Observatory – David Malin
Immagine NASA

Stelle di neutroni e Buchi neri

L’implosione gravitazionale di una stella con massa iniziale di almeno circa 8 masse solari genera una “ Stella di neutroni ”. Le Stelle di neutroni hanno un’incredibile densità, dell’ordine di 100 mila miliardi di volte più grande di quelle che abbiamo nella Terra. Masse enormi sono concentrate entro poche decine di km, dimensione infinitamente piccola in scala cosmica.

Se la massa iniziale è superiore a circa 25 masse solari, l’attrazione gravitazionale è tale e tanta da non accontentarsi di aver così generato una Stella di neutroni. L’implosione continua, provocando un aumento di densità e temperatura che fa entrare la stella in un dominio estremo di leggi fisiche. Si genera allora un fenomeno che mette alla prova la nostra immaginazione: un “ Buco nero ”. I Buchi neri hanno proprietà e densità che spingono ai limiti estremi le leggi della Fisica a noi note. Come si può giungere a questi stati eccezionali della materia?

Tenete accesa la vostra curiosità in vista di leggere di più negli articoli seguenti.


Sagredo e Pumbaa

Il facocero Pumbaa e il piccolo suricato Timon guardano il cielo stellato nel film di animazione " Il Re Leone " (Disney, 1996) e discorrono hakuna makata ” (“senza pensieri”), ma facendoci ricordare Sagredo e Simplicio nel Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo di Galileo Galilei:
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Fig. 8. Ti sei mai domandato cosa siano quei lumicini lassù?
Immagine Walt Disney - GTC
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Pumbaa: Ti sei mai domandato cosa siano quei lumicini lassù?
Timon: Pumbaa! Io non mi faccio domande! Io le cose le so!
Pumbaa: Oh! E cosa sono?
Timon: Sono delle lucciole, lucciole che sono rimaste attaccate a quell'enorme cosa nero-bluastra...
Pumbaa: Oh, si? Io pensavo che fossero masse gassose che bruciano a miliardi di chilometri di distanza!
Timon: Pumbaa, tutto quello che pensi lo trasformi in gas![/i


C’è posto per tutti

Sagredo e Pumbaa sono con Galileo nello stesso mondo di chi vuole capire e non parla per parlare ma per “dire”. C’è posto per tutti.

Collaborazione didattica

Sono grato a Clara Guadagni per le sue interessanti osservazioni e suggerimenti.


Collegamenti

Supernovae , Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’INFN
Il Planetario Virtuale , INAF - Osservatorio Astronomico di Padova

Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:37 da Paolo.

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