in una sola Galassia ci sono miliardi di stelle, e di Galassie nell'Universo ce ne sono a miliardi, e di conseguenza il numero degli oggetti celesti è infinito; ma ce n'è uno su cui mi piacerebbe soffermarmi allo scopo di condividere con voi l'emozione di conoscerlo a fondo: io questo oggetto lo chiamo "la stella che canta" e se mi seguirete con attenzione capirete perchè nel mio inconscio lo associo a qualcosa di romantico, che stranamente nessun astronomo ha mai messo in evidenza;
neanche in documentari televisivi dove si parla solo di coccodrilli e scimpanzè a nessuno è mai venuto in mente di trasmettere il canto di questa poetica stella. Sto parlando delle stelle di neutroni altrimenti dette PULSAR.
L'argomento non è certamente di facile comprendonio, purtuttavia, come faccio in tutti i miei articoli, cercherò di spiegare la faccenda nella maniera meno tragica, senza peraltro entrare nel banale; anche perchè il mio pubblico deve essere dotato di conoscenza almeno liceale (ovviamente scientifico) e soprattutto motivato ad imparare cose nuove.
Le stelle, ovviamente, per quanto riguarda le dimensioni, non sono tutte uguali, ce ne sono di piccole e di grandi, ma senza eccedere nè in un senso nè nell'altro, poichè se sono troppo piccole non si accendono, cioè la pressione interna dovuta alla gravitazione non è sufficiente a creare la condizione di pressione necessaria e sufficiente per innescare il processo di fusione nucleare, mentre al contrario se la stella è troppo grande essa collassa dando luogo alla cosiddetta supernova; ed è proprio di questo evento catastrofico che andremo a parlare in questo articolo.
Prendiamo, tanto per fissare le idee, l'esempio della fine che farà il nostro Sole: fra circa 4 miliardi di anni, esaurendosi il combustibile idrogeno, esso si contrarrà a dimensioni molto ridotte, diciamo, come la Terra, dando luogo ad una nana bianca, mentre tutto intorno si espanderà di rimbalzo una nube gassosa chiamata gigante rossa che arriverà a lambire financo il nostro pianeta ponendo così fine a qualsiasi forma di vita, sempre che ce ne sia ancora con le pensioni che ci daranno.
Ma che cos'è una nana bianca? E' ancora una stella, ma supercompressa, di densità (peso specifico) di migliaia di tonnellate per cm cubo, ove gli elettroni non rispettano più la legge di esclusione di Pauli, la quale ci insegna che in un atomo ordinario tutti gli elettroni devono differire l'uno dall'altro per almeno un numero quantico, ovverossia ogni elettrone che costituisce il guscio dell'atomo deve avere una sua identità, un suo codice personale, un po'... come il codice PIN (che madre chimica mi perdoni di tale scempio); succede invece che la forza di compressione dovuta alla gravitazione, riesce a pigiare gli atomi della stella (come succederà, ripeto, ad es. al Sole fra 4 miliardi di anni) in maniera che questi elettroni non più liberi di girare agevolmente intorno al proprio nucleo si accatastano come sardine in scatola su orbitali, in condizioni normali, proibiti. Per es. può succedere che sullo stesso orbitale troviamo quattro o cinque elettroni. Elettroni siffatti si chiamano degeneri.
In definitiva: in condizioni normali su un orbitale possono coabitare due e solo due elettroni a spin antiparallelo, cioè uno ruota su stesso in un verso e l'altro in verso opposto; su quell'orbitale altri elettroni non ci possono proprio stare. Ma se questa compressione gravitazionale diventa esagerata, ecco che madre natura ha escogitato questo sistema di emergenza che funziona più che bene finchè questa compressione non esagera troppo. Vedremo, però, che se la gravitazione diventa esagerata a causa della dimensione eccessiva della stella di partenza, neanche il sistema di emergenza di cui ho testè parlato funziona più dando così luogo alla catastrofe siderale chiamata supernova.
Ricapitoliamo, tanto per avere le idee ben chiare, questo concetto fondamentale: se la stella è di media o piccola grandezza essa porrà fine ai suoi giorni dando luogo ad una nana bianca, serena e tranquilla stella che con il tempo si raffredda (alcuni miliardi di anni) dando luogo al decadimento dei suoi colori come un pezzo di ferro rovente: nana bianca; nana gialla; nana rossa; nana bruna; nana nera e poi basta. Se però...
SUPERNOVAE E PULSAR
Se però la stella di partenza è troppo massiccia, almeno 8 volte la massa del Sole, le cose si complicano, nel senso che in un tempo relativamente breve (pochi milioni di anni) essa è destinata a fare una brutta fine collassando su se stessa: le forze gravitazionali prevalgono anche sull'ultimo disperato tentativo degli elettroni di degenerare come spiegavo in precedenza: niente da fare. La stella implode concentrandosi in un piccolo ma spaventosamente pesante oggetto stellare: una stella di neutroni. Cosa avviene in realtà? I protoni positivi e gli elettroni negativi si schiacciano gli uni contro gli altri entrando in reazione e formando quindi neutroni che sono, come dice il nome stesso, neutri, ed è ovvio che sia così perchè la carica positiva e quella negativa si annullano vicendevolmente. Il processo di supernova dura pochi giorni, ma seppure la stella coinvolta si trovi a distanza incredibile da noi, essa sprigiona una tale energia da portare la sua temperatura a miliardi di gradi, addirittra la sua spaventosa energia, seppure per pochi giorni, ripeto, diventa pari a quella di tutta la galassia che la ospita, a tal punto che questa supernova appare all'improvviso luminosissima in cielo come se preannunciasse la nascita di una nuova stella, da cui il nome improprio che le fu affibbiato tanti anni fa. Mentre invece, come avrete già capito, non si tratta della nascita gioiosa di una nuova stella, ma della sua catastrofica
morte.
queste due foto sono state scattate prima e dopo un'esplosione di supernova che viene a destra indicata da una freccetta.
Detto tutto questo, credo sia arrivato il momento di spiegare che cosa rimane di questo sconquasso galattico, e qui cominciano le difficoltà concettuali che cercherò in ogni maniera di ridurre al minimo della difficoltà concettuale. Per prima cosa voglio che il mio lettore si renda conto che una stella gigante, come dicevo, grande almeno 8 volte il nostro Sole (come massa), si concentra a dimensioni ridicole, pari al nostro Monte Bianco... Pensate a quale razza di differenza dimensionale siamo di fronte, pazzesca, no? Bene, adesso pensate che la massa (il peso) di questa stella che subisce il collasso rimane la stessa, è ovvio, ma il suo volume, ripeto, si rimpicciolisce in modo pazzesco, e siccome la densità (peso specifico) è data da
avremo che, essendo m (massa) costante e V (volume) variato da stella gigante a Monte Bianco, la densità ρ(ro) diventa spaventosamente immensa, un centimetro cubo di quel materiale (praticamente un dado per brodo della Knorr) viene a pesare alcuni miliardi di tonnellate!!! Che risparmio al supermercato...
Ma dopo tutte queste disquisizioni arriva il bello del discorso, nel senso che tutti gli astri, stelle, pianeti e compagnia bella ruotano su stessi; non esistono eccezioni, si potrebbero fare delle sterili disquisizioni come sulla nostra Luna che ci offre sempre la stessa faccia, ma lì sorge il problema degli extraterrestri che di tale satellite fanno una base spaziale a loro uso e consumo, comunque anche la Luna ruota su se stessa seppure con la identica velocità di rivoluzione intorno alla Terra. Probabilisticamente questo fatto è inconcepibile, ma se si accetta che il nostro naturale satellite sia una base spaziale aliena, il tutto assume una connotazione perfettamente normale e serena: la Luna è degli alieni che la manovrano e la pilotano come un faretto sull'obbiettivo Terra sotto il loro controllo permanente. Che ci crediate o no, per me è così.Torniamo a noi. Stavo dicendo che tutti gli oggetti cosmici ruotano su se stessi con una velocità angolare α (alfa) esprimibile come giri al minuto o giri al secondo; il motore della mia macchina al minimo fa 800 giri al minuto, quello di una formula 1 ne fa al massimo 14.000 al minuto; la turbina di un jet ne fa 30.000 al minuto, e così via... Prendiamo adesso come esemplificazione il nostro Sole il quale esso pure ruota su se stesso, seppure in maniera difforme fra equatore e latitudini varie, con una velocità media angolare α di circa un mese: cioè in un mese fa un giro intorno a se stesso.
Adesso andiamo a parlare di momento di inerzia I.
Quando si introduce la parola Momento si intende che si parla di qualcosa che ruota su stesso, che gira, come una trottola, una giostra, un volano. Se il termine momento non compare vuol dire che si parla di qualcosa che trasla in linea retta. Una palla da biliardo trasla, dritta in linea retta; viceversa un oggetto in rotazione come un volano dell'auto vuole la parola momento di rotazione. Ebbene questo momento di rotazione esige una piccola formula sulla quale andremo a fare delle discettazioni non da poco. La formula è la seguente
I = ∫ r2 dm
che si legge: il momento di inerzia è uguale all'integrale della massa per il raggio al quadrato. Mi rendo conto che non tutti hanno dimestichezza con gli integrali, per cui semplifichiamo il tutto scrivendo semplicemente
I = m r2
cioè il momento d'inerzia è uguale alla massa dell'oggetto in rotazione moltiplicata per il raggio al quadrato. Orbene, sempre tenendo conto di queste stelle gigantesche che si rimpiccioliscono all'improvviso, possiamo elucubrare che la massa, ovviamente, rimane la stessa, mentre invece il raggio di detta stella che collassa, crolla a valori immensamente più bassi, a tal punto che influendo esso con il proprio quadrato (!!!) va a influire sull'equazione di cui sopra in modo drammatico.
In parole povere il momento di inerzia I si riduce a valori infinitamente piccoli.
questi equilibristi sfruttano il grande momento di inerzia delle loro lunghe aste per non cadere di sotto
Adesso prendiamo in considerazione un nuovo parametro, e cioè il momento della quantità di moto M. Esso è
M = I α
dove I è il momento di inerzia che abbiamo visto fino a poco fa, mentre α (alfa) è la velocità angolare dell'oggetto in rotazione, esprimibile in giri al minuto o al secondo, gli americani usano il termine rpm (rotations per minute). Attenzione, però, perchè M è, e deve rimanere, una costante; in mancanza di forze perturbatrici non può variare a piacimento, ecco quindi che se uno dei due termini aumenta o diminuisce, l'altro deve di conseguenza diminuire od aumentare; per capirci meglio posso scrivere
12 = 2 x 6
12 = 3 x 4
12= 4 x 3
12 = 6 x 2
Torniamo alla nostra equazione M = I α:
AFFINCHE' M (momento della quantità di moto) possa rimanere invariato, se I diminuisce, ecco che α deve necessariamente aumentare. Ecco dunque spiegato il motivo per cui questi piccolissimi corpi celesti ruotano in maniera incredibile, addirittura a centinaia di rotazioni al secondo (!!!), ripeto al secondo. Facciamo una piccola ricapitolazione di quanto fin'ora esposto: abbiamo una stella gigantesca, grande come massa almeno 8 volte il nostro Sole che all'improvviso collassa riducendosi alle dimensioni di una nostra casalinga montagna; a causa della riduzione drastica del suo momento di inerzia, la velocità angolare di rotazione schizza a valori incredibili, addirittura di centinaia di rotazioni al secondo che le conferiscono le caratteristiche incredibili che andremo fra poco a decifrare.
IL MAGNETISMO
la definizione del magnetismo è ancora oggi molto fumosa perchè non perfettamente compresa: si parla di magnetoni che in definitiva sono gli atomi asimmetrici del ferro e di altri materiali simili, che opportunamente sollecitati dalla corrente elettrica continua, si dispongono in una condizione particolare tale da interagire elettrostaticamente con gli stessi materiali, come il ferro, il manganese, ecc. Ma non è questa la sede per studiare il magnetismo in se stesso, anche perchè lo conosciamo tutti almeno per quanto riguarda i suoi effetti. Voglio invece solamente sottolineare che tutti i corpi celesti ne sono dotati, Terra compresa, Sole compreso, ecc. Il campo magnetico possiede due poli che vengono chiamati Nord e Sud, e non positivo e negativo, eh! Si chiamano nord e sud perchè si fa così: si prende un magnetino come quello in figura qui sopra, lo si fa galleggiare sull'acqua sopra un pezzo di sughero o qualcosa del genere, dopodichè sulla punta che volge verso nord scriviamo nord e sulla punta che volge verso sud scriviamo sud... semplice no? eh eh, ma non abbiamo sempre detto che i poli opposti si attraggono, mentre quelli uguali si respingono? Forse non ci avete mai pensato, ma il polo nord dove ci sono gli orsi bianchi ha polarità sud, mentre il polo sud dove ci sono i pinguini ha polarità nord. Adesso, grazie a me, ne sapete una nuova.
Dicevo che tutti i corpi celesti posseggono un campo magnetico le cui linee di forza presentano un allineamento non necessariamente concorde con l'asse di rotazione, e di conseguenza pure le stelle grandi o piccole che siano, ne sono provviste.
Ma riprendiamo il nostro discorso lasciato interrotto: abbiamo visto, dunque, che una stella massiccia nel momento in cui collassa e si trasforma in stella di neutroni, diminuisce drammaticamente di dimensioni, e di conseguenza aumenta in modo pazzesco la sua velocità angolare di rotazione, fino a 700 e più rotazioni al secondo, non solo, ma il rimpicciolimento fa sì che l'intensità di detto campo magnetico aumenta enormemente esso pure come se si concentrasse. Orbene se la direzione dell'asse delle linee di forza è ortogonale (perpendicolare) all'asse di rotazione, questa stella di neutroni diventa un vero e proprio emettitore di onde elettromagnetiche la cui frequenza ν (nu) è pari alla frequenza α (alfa) di rotazione.
Nelle foto qui sopra potete vedere che la stella di neutroni ruota intorno al proprio asse, indicato con la linea nera o verde verticale, mentre le linee curve poste orizzontalmente o quasi sono le linee di forza del potentissimo campo magnetico superconcentrato originario della stella di partenza. Risultato? tale corpo celeste è diventato una vera e propria sorgente radio perfettamente ascoltabile con il radiotelescopio. Semprecchè, l'avrete capito anche da soli, il piano di rotazione di questo campo magnetico sia concorde con la direzione in cui si trova la Terra, altrimenti non si sente niente... Se volete visualizzare l'animazione che mostra il funzionamento di questo faro cosmico potere fare copia/incolla sul link qui sotto.
http://pulsar.ca.astro.it/pulsar/Figs/smallmodpulsar.gif
il principio di funzionamento della Pulsar è identico a quello di un faro navale. Ma se queste due esigenze sono rispettate, e cioè ortogonaliìtà dell'asse di rotazione con asse magnetico, e spazzata del campo magnetico in direzione Terra, ecco che la sera invece di guardare il grande fratello potremo ascoltare un bel concerto di stelle di neutroni, se non altro sentiremo meno puttanate. Queste stelle di neutroni che emettono le radioonde, sembrarono agli astronomi come delle stelle pulsanti, per cui furono ribattezzate PULSAR.
Se volete farvi venire la pelledoca vi consiglio di andare su questi link dove potrete ascoltare il canto di queste pulsar
http://youtu.be/33Ldqkd0Fa4
oppure
http://www.jb.man.ac.uk/~pulsar/Education/Sounds/sounds.html
mentre un faro navale illumina con luce visibile, la pulsar emette radioonde alla stessa frequenza della rotazione.
questa graziosa animazione vale più di mille parole
LA NEBULOSA
Ho parlato finora della stella di neutroni, rimasuglio piccolissimo e pesantissimo dell'implosione della supernova derivante dal collasso di una stella supermassiccia, ma voglio ricordare pure che di rimbalzo una ampia nube di materiale leggero si diffonde tutto intorno al corpo centrale ampiamente descritto finora, creando una nebulosa facilmente visibile al telescopio ottico, ma incredibilmente più spettacolare se osservata con un telescopio sensibile ai raggi UV che può essere effettuata ai giorni nostri mediante i telescopi orbitanti come lo Hubble appositamente attrezzato a tale scopo. Infatti la radiazione UV viene abbondantemente assorbita, specialmente la banda C, dall'ossigeno atmosferico che si trasforma in ozono.
Ma da dove arriva questo irraggiamento ultravioletto?
Torniamo alla pulsar: abbiamo visto che è una stella di neutroni, tuttavia sappiamo anche che in astrofisica le cose non sono mai così semplici, anzi. Questa pulsar, infatti, sprizza e spruzza elettroni ad altissima energia da tutti i pori; elettroni che si avvitano su se stessi intorno alle linee di forza del campo magnetico dando come risultato l'emissione di raggi UV, che vanno proprio ad illuminare la nebulosa che si trova tutt'intorno. Tale radiazione si chiama radiazione di sincrotrone.
Su internet potrete trovare un'infinità di stupefacenti immagini come queste qui sopra.
Flavio
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