Nane bianche
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Nane bianche
Evoluzione Stellare .
All'inizio, l'elemento che costituiva il neo-universo era l'idrogeno che cominciò ad aggregarsi in nubi gigantesche grazie alla sua stessa attrazione gravitazionale. Si costituirono così insiemi di nubi enormi che daranno forma alle future galassie !
Ogni aggregamento di idrogeno iniziò a ruotare sotto la spinta della sua stessa forza di gravità richiamando inoltre, grazie alla sua massa sempre più consistente, altro idrogeno. All'interno di questa nube la temperatura é la pressione aumentano sempre
finchè ad una temperatura di 15 milioni di gradi Kelvin é densità di 134 g/cm3 si innescano reazioni di fusione nucleare che trasformano l'idrogeno in elio secondo la catena protone protone :
a) Due protoni (cioè due nuclei di idrogeno) si uniscono é danno luogo ad un nucleo di deuterio con emissione di un positrone (anti-elettrone) é di un neutrino b) il deuterio cattura un protone é si forma elio3 con emissione di un fotone c) due nuclei di elio 3 si incontrano formandone uno di elio 4 con l'emissione di 2 protoni. In questo processo 4 protoni si trasformano in un nucleo di elio 4 ma in tale processo una parte della massa "scompare" é si trasforma in energia ; la massa atomica complessiva dei protoni che si uniscono è di 4,032 (4X1.008) mentre quella dell'elio 4 è di 4.003, per. Per ogni nucleo di elio 4 che si forma si perde il 0,7% della massa che si converte in energia secondo la relazione E=mc2 . La fusione nucleare é un processo molto lento nel sole perché è bassa la probabilità che vengono in contatto due protoni per innescare la catena, un protone può muoversi a velocità di migliaia di Km/s per milioni di anni prima di dar luogo a processi di fusione. Attualmente nella nostra stella ogni secondo 564,5 milioni tonnellate di idrogeno si trasformano in 560 milioni tonnellate di elio con una perdita di massa di 4,5 milioni di tonnellate.
Una volta innescata la reazione la protostella inizia a bloccare l'apprivvogionamento di materiale tramite al suo vento stellare un flusso di particelle cariche (protoni, elettroni, nuclei di elio) che viaggia a centinaia di km/sec é che blocca l'afflusso di altro idrogeno (per questo i pianeti più vicini al Sole sono rocciosi mentre quelli più lontani sono giganti gassosi).
Completato il processo la stella entra in uno stato stazionario in cui la "pressione nucleare" contrasta la forza di gravità che tenderebbe a contrarla, questo stato può variare da centinaia di milioni a una decina di miliardi di anni a seconda della sua massa (le stelle massicce "bruciano" più velocemente delle altre il loro idrogeno).
Esaurito l'idrogeno il nucleo si contrae é la sua temperatura aumenta di conseguenza a 100 milioni di gradi kelvin, mentre la sua superficie si espande enormemente dilatandosi é raffreddandosi (stato di gigante rossa), se l'espansione supera il punto di equilibrio tra forza di gravità é forza nucleare essa si contrarrà é poi si espanderà dando l'impressione di pulsare.
Finito l'elio il nucleo si contrarrà di nuovo é la sua temperatura aumenterà ancora fino all'innesco di nuove fusioni ; tale processo però è destinato ad esaurirsi prima p poi a seconda della massa della stella, comunque non andrà oltre il ferro (elemento dopo il quale le reazioni di fusione nucleare richiedono energia).
Se la stella ha una massa iniziale di poco inferiore a quella del Sole essa non andrà avanti oltre l'elio é si contrarrà inerte fino ad un astro delle dimensioni poco inferiori della Terra riscaldandosi durante il processo. La materia che la compone è degenere : un mare di elettroni in cui sono immersi i nuclei degli atomi. La nuova stella si chiamerà nana bianca , che non ha fonti energetiche é quindi si raffredderà lentamente fino a diventare un corpo inerte chiamato nana nera.
Le stelle con massa iniziale compresa tra le 0,8 é 8 masse solari arrivata allo stadio di gigante rossa (non più avanti dell'elio) iniziano ad espellere gli strati esterni al nucleo con il loro vento solare, questi strati formeranno un involucro in espansione chiamato nebulosa planetaria illuminato dall'ormai messo a nudo é compatto nucleo. Dopo alcune centinaia di anni le reazioni si arresteranno é il nucleo diverrà una nana bianca che perderà gradualmente luminosità.
Se la stella ha una massa ancora maggiore una volta arrivata al ferro collasserà su se stessa in pochi istanti, gli atomi si disintegreranno, i protoni ed elettroni si uniranno diventando neutroni che si aggiungeranno agli altri. I protoni inoltre precipiteranno verso il centro con una velocità di circa 70.000 Km/s formando un compatto corpo centrale. Il nucleo in agonia invierà inoltre una tremenda onda d'urto verso l'alto che proietterà via gli strati superficiali della stella con una tremenda esplosione detta Supernova che farà brillare la stella con un'intensità milioni di miliardi di volte maggiore quella del Sole per settimane.
Il corpo centrale che si è formato andrà incontro a due destini diversi a secondo della massa iniziale della stella.
Se la massa è poca essa diventerà un corpo grande all'incirca 20 Km chiamato Pulsar o Stella di neutroni che ruoterà molto velocemente per la conservazione del momento angolare. L'energia emessa dalla stella (raggi x é gamma, onde radio é luce) verrà condizionata dal campo magnetico che è fortissimo é la farà apparire come una sorgente intermittente
Se la massa è superiore ad una certa soglia, i neutroni si spaccheranno é la stella si contrarrà in un corpo di volume che tende a zero é con un campo gravitazionale con una velocità di fuga superiore a quella della luce. Anche se questo corpo, chiamato buco nero, emettesse una qualsiasi radiazione elettromagnetica essa ricadrebbe sul corpo stesso ; qualsiasi cosa che entrerebbe nello spazio perturbato intorno al buco nero (persino la luce) verrebbe attratta senza più avere la possibilità di sfuggire.
Viene da domandarsi perché nell'universo esistono elementi con numero atomico maggiore di quello del ferro, la risposta è che durante l'esplosione si raggiungono temperature enormi capaci di far fondere gli atomi di ferro in elementi con numero atomico ancora più pesante, questo materiale espulso va inoltre a "inquinare" altre nebulose con stelle in formazione. Quindi il nostro Sole, se si considerano gli elementi m che si trovano sulla Terra è una stella di 3° - 4 ° generazione !
Le nane bianche é la materia degenere
L'osservazione delle stelle morte, pochissimo luminose é molto lontane, è nella pratica estremamente difficile: esse sfuggono anche all'osservazione professionale. Una certa categoria di stelle, quelle che stanno al centro delle nebulose planetarie, hanno un involucro nebuloso a forma di anello che circonda la stella. Talvolta esso è facile da vedere, come nel caso della nebulosa anulare della Lira; in altri casi è invece più difficile da osservare direttamente nel telescopio ed eventualmente è assai più facile vederlo per mezzo della fotografia. Dunque, questa tecnica osservativa è riservata soltanto ai dilettanti più abili e più attrezzati. Una ricerca interessante é quella di una nana bianca vicina ad una stella luminosa, come, per esempio, Sirio B, la compagna che ruota intorno a Sirio. Purtroppo anche in questo caso é molto difficile osservare questa stella, a causa della grandissima luce di Sirio che abbaglia, impedendo di vedere quella estremamente più debole del suo compagno defunto. In effetti, nel secolo passato si era pensato che la perturbazione sulla componente principale di Sirio, dovuta alla massa della stella morta, fosse dovuta a un corpo senza luce, cioè un pianeta. Questo perché a quei tempi non si sapeva che la materia stellare quando la stella muore, cioè termina la sua vita energetica normale, non si assesta secondo la struttura di un pianeta, ma secondo quella di un astro molta caldo che differisce molto dalla struttura di un corpo, appunto come la Terra o come gli altri componenti del Sistema Solare. Qui occorre aprire una parentesi. Quando si parla di materia densa di un pianeta, si sa che già nell'interno del corpo di un astro come la Terra la pressione dovuta al peso degli strati sovrastanti é cosi forte che le sostanze vengono compresse ad una densità maggiore di quella normale. Per esempio, al centro della Terra, il ferro arriva ad una densità ben superiore al valore che ha alla superficie di 7,85, ma poi, anche per la presenza di una certa percentuale di nichel, sale fino a 10. Tuttavia una stella che muore é solitamente un astro con una massa che é enormemente superiore a quella della Terra. Ed é quest'enorme massa che genera all'interno dell'astro una pressione cosi elevata da far si che la materia si assesti in un modo differente da quello del centro della Terra o di un altro pianeta solare. In particolare, quando, a causa della cessazione delle reazioni termonucleari, la stella termina la sua vita normale, se la sua massa é inferiore a circa una volta e mezzo a quella del Sole, allora comincia a comprimersi e in questa compressione si riscalda. Ma questo riscaldamento non può più accendere alcuna reazione termonucleare, perché i nuclei di cui é composta la materia stellare sono ormai inabili a sostenerla. A questo punto la materia é completamente ionizzata, cioè composta di nuclei privi di elettroni e di un gas di elettroni che si muove fra questi nuclei senza che gli elettroni stessi siano ad essi legati su orbite definite. Materia di questo tipo ha la possibilità di comprimersi enormemente e questo fa si che la stella possa ridursi di volume e, pur possedendo una massa che è paragonabile a quella del Sole, può arrivare ad un volume che è quello della Terra, cioè in pratica almeno un milione di volte minore di quello solare.
Quindi la densità finale che viene raggiunta da questa materia é dell'ordine di grandezza di centomila volte la densità dell'acqua. Tuttavia vi sono stelle che, alla fine di questo processo, sono ancora più dense, addirittura cento milioni di volte la densità dell'acqua. Ci si deve abituare a queste densità estremamente elevate perché la fine della vita di stelle di massa sempre maggiore danno luogo a corpi finali sempre più densi, come le nane bianche. La struttura interna delle nane bianche, le caratteristiche della materia che le compone dipendono da questi due fatti: l'impossibilita di generare una grande quantità di energia, come avveniva quando era disponibile l'idrogeno per le reazioni termonucleari, e la grande pressione a cui la stella si trova. La materia in questa situazione deve la maggior parte delle sue proprietà alle caratteristiche di questa nuvola di elettroni che permea lo spazio fra un nucleo atomico e l'altro, spazio molto ristretto, in confronto a quello che esiste, quando la materia é rarefatta, all'interno dei nuclei freddi che si trovano alla superficie o all'interno di un pianeta ordinario. Questi elettroni formano il "gas degenere", cioè un gas a cui basta imporre una modestissima compressione per avere un fortissimo aumento di temperatura. é per questo che una contrazione molto modesta della nana bianca può restituirle quella temperatura é di conseguenza quella brillantezza che le sono necessarie per continuare a splendere. La parte più interna di una nana bianca é soggetta ad una pressione cosi elevata che il materiale di cui é composta é sicuramente solido. Questo solido possiede qualità eccezionali: per esempio, oltre all'estrema densità, anche un'estrema rigidezza ed un punto di fusione altissimo, anche cento milioni di gradi. Per questo si può affermare che questa stella sarà quasi interamente solida. Dunque, il cadavere di una stella é un corpo solido come quello di un pianeta, pero estremamente più denso é più rigido, dotato di un punto di fusione assai elevato e caldissimo, tanto caldo che la sua temperatura superficiale lo rende visibile. Tuttavia l'estrema piccolezza di questo astro rispetto alle dimensioni di una stella normale lo rendono dotato di cosi poca superficie che la luce erogata é scarsa é quindi l'astro é invisibile anche a distanze relativamente modeste.
La struttura interna del pulsar
Alla fine della pagina è disegnato uno schema che rappresenta la struttura ipotetica dell'interno di un pulsar. Questa figura non è volutamente molto dettagliata, perché alcune ipotesi che si fanno sulla struttura interna di questo tipo di astro sono ancora abbastanza incerte. Il pulsar in sostanza é costituito da materia nucleare. é noto che gli atomi sono estremamente più voluminosi dei nuclei e, se si potessero strappare dagli atomi tutti gli é elettroni é compattare i nuclei uno accanto all'altro, si otterrebbe una materia di densità straordinariamente elevata. Questa materia, addensata in un astro di modeste dimensioni (non più di 20 km di diametro), genera una pressione interna cosi elevata da essere al di fuori della nostra intuizione. In queste condizioni la materia assume proprietà straordinarie e solo da pochi anni i fisici hanno la possibilità di indagare su di esse. Approssimativamente si può dire che la struttura del pulsar é quella di una sfera che ruota intorno ad un asse meccanico di rotazione (in azzurro, nell'illustrazione). Ad un angolo, che può essere anche molto elevato rispetto a quest'asse di rotazione, si trova l'asse magnetico (in bianco) lungo il quale é attestato un campo di dipolo, cioè di tipo analogo a quello della Terra, con la sola differenza di essere qualcosa come mille miliardi di volte più intenso. Di recente si sono avute conferme della reale esistenza di un campo magnetico così intenso. Questo campo magnetico fa si che, se della materia cade verso il pulsar, in questa caduta si ionizza, cioè diviene conduttrice é alla fine é costretta a seguire le linee i orza del campo magnetico. Ecco perché i fenomeni elettrici é magnetici che avvengono nel pulsar sono prevalentemente concentrati in corrispondenza dei poli: è da quì che parte la radioemissione, è da quì che, se la rotazione meccanica porta alternativamente a vedere e a non vedere i poli, ci si trova nella situazione di avere degli impulsi alternati e con un periodo che è quello della rotazione. All'interno, a causa della fortissima pressione, al di sotto di una crosta solida le particelle nucleari a contatto non sono piu organizzate secondo le caratteristiche di un solido ma secondo quelle di un fluido, anzi secondo quello di un "superfluido", cioè di un liquido assolutamente privo di viscosita. Messo in rotazione entro un recipiente, esso non sfrega contro le pareti di questo, frenandosi, ma continua a girare in eterno. Si ritiene dunque che all'interno di un pulsar il superfluido neutronico ruoti ancora alla velocità che esso aveva quando il pulsar si formò, una velocità spaventosa, di quasi mille giri al secondo. Contraendosi, infatti, l'astro é aumentato di velocità in proporzione alla contrazione stessa. Nel centro l'enorme pressione a cui sono stati sottoposti i neutroni durante il fenomeno di compressione della stella li ha probabilmente trasformati in iperoni. Queste particelle superpesanti sono state definite soltanto in base a considerazioni di carattere puramente teorico, in quanto se esistessero in condizioni fisiche normali della materia, la loro vita media sarebbe cosi breve che praticamente risulterebbe impossibile osservarle.
1 LE FRATTURE CROSTALI: Nonostante l'estrema rigidità e robustezza della materia della crosta, la diminuzione progressiva della rotazione porta a una diminuzione della forza centrifuga é quindi il pulsar non è più portato ad espandersi per effetto della sua velocissima rotazione é si contrae é si assesta in un diametro più piccolo frattumandosi.
2 I POLI MAGNETICI: Il pulsar possiede in superficie due poli magnetici in corrispondenza dei quali si radunano le linee di forza. In prossimità di un polo magnetico la materia ionizzata, proveniente dalle nebulosa attraversate dal pulsar é in parte dispersa dall'esplosione della stella che le ha dato origine, può ricadere sul pulsar generando un continuo flusso di radio-onde che la rotazione dell'asse meccanico dei poli orienta verso la Terra, in modo che i radiotelescopi ricevano l'impulso periodico.
3 LE MONTAGNE PIU' ALTE: La materia iperdensa milioni di miliardi di volte più rigida del rigido degli acciai é anche se è così rigida la potente attrazzione gravitazionale impedisce la formazione di <<montagne>> elevate, le irregolarità non superano in centimetro di altezza.
4 VORTICI DEL SUPERFLUIDO: Il superfluido neutronico essendo privo di viscosità esso ruota con la stessa velocità con cui ruotava la pulsar alla nascita. La successiva diminuzione di velocità dovrebbe aver interessato solo la crosta e lasciato inalterata la parte interna, ma si pensa che possano esistere strutture vorticose capaci di scambiare energia con la crosta
5 LE SCARICHE ELETTROSTATICHE: Sulla superficie di un pulsar si possono raccogliere degli eccessi di cariche elettrostatiche che vi rimangono intrappolate. Talvolta, per un arrivo disordinato di materia in prossimità dei suoi poli, del plasma può giungere vicino a queste zone particolarmente cariche. In questo caso fra il plasma é la superficie si generano potentissime scariche elettriche che a loro volta generano delle onde elettromagnetiche percepibili a distanza che sono gli <<interpulsi>>.
La materia iperdensa
Le nane bianche sono costituite in parte da materia solida molto densa. Questa materia è chiamata "superdensa" mentre il termine "iperdensa" é riservato ad astri con densità della materia estremamente superiore. Infatti nelle nane bianche si arriva con difficoltà alle migliaia di chilogrammi per centimetro cubo, mentre in un pulsar si tratta di centinaia di milioni di tonnellate per centimetro cubo! Ricordiamo che questo è il valore della densità é non del peso, che dipende dall'accelerazione di gravita. Quindi sulla superficie della Terra un centimetro cubo peserebbe cento milioni di tonnellate, ma sulla superficie di un pulsar, dove l'accelerazione di gravita é enormemente superiore, ogni centimetro cubo peserebbe milioni di miliardi di volte di più che non cento milioni di tonnellate. La caratteristica più importante della materia che costituisce il pulsar é quella di essere costituita da neutroni posti a contatto. Come mai la materia, che proviene dall'addensamento di nuclei atomici dei più svariati tipi é che quindi contiene una grande quantità di protoni, si é potuta trasformare in materia costituita esclusivamente da neutroni? La ragione é semplice. Il neutrone libero è una particella instabile. Se si producono neutroni in laboratorio é se si lasciano liberi di vagare nello spazio, in quindici minuti metà di essi si è trasformata in protoni, emettendo un elettrone ed altre particelle é liberando energia. Se si comprimono degli elettroni contro dei protoni, rendendo disponibile la stessa quantità di energia, si può avere la reazione detta di "decadimento inverso" del neutrone, cioè l'elettrone penetra nel protone é lo trasforma in un neutrone. Questo è quanto accade nei brevissimi attimi in cui nella catastrofe stellare di supernova una parte della materia dell'astro si addensa nel nucleo. Si passa attraverso stadi di densità sempre superiore finché gli elettroni liberi fra i nuclei di diverso tipo penetrano in essi é producono una materia costituita solo da neutroni. E' un fenomeno analogo a quello per cui nella formazione lenta é progressiva di un pianeta gli atomi, dapprima gassosi, si addensano fino a formare delle strutture cristalline. Dopo che gli atomi sono a contatto, non si può avere ulteriore addensamento, perché la formazione di pianeti avviene con poca materia in un tempo molto lungo.
Fonte estratto da : http://www.evan60.net/uploads/6/3/2/5/6325749/compendio_di_astrofisica.doc
Sito web da visitare: http://www.evan60.net/scienza-e-dintorni.html
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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