E-school  di  Arrigo Amadori

Siamo figli delle stelle ...

Ogni cosa che esiste, l'universo e perfino noi stessi siamo costituiti da atomi. 

Un atomo è composto da un nucleo elettricamente carico positivamente e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno. 

Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle prive di carica. 

La massa di un protone è circa uguale alla massa di un neutrone ed entrambi sono circa 2000 volte più pesanti di un elettrone. E' per questo che sono gli elettroni che ruotano attorno al nucleo (molto più pesante) e non viceversa. Il nucleo è quindi molto pesante e "concentrato" mentre gli elettroni sono molto leggeri e mobili.

Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo eguaglia il numero dei protoni che costituiscono il nucleo. Essendo dette cariche di valore uguale e contrarie di segno, un atomo è normalmente elettricamente neutro. Per questo motivo (e per fortuna, altrimenti i corpi sarebbero sbalzati in tutte le direzioni, essendo la forza elettrica piuttosto forte) la materia è normalmente elettricamente neutra.

Gli atomi esistenti un natura sono circa 90 e sono elencati in una tavola, detta tavola periodica degli elementi o tavola di Mendeleyev :

        http://it.wikipedia.org/wiki/Tavola_periodica 

Ogni atomo è caratterizzato essenzialmente da due numeri : il numero atomico ed il numero di massa.

Il numero atomico indica quanti protoni (positivi) sono del nucleo ed eguaglia il numero degli elettroni (negativi) che ruotano attorno al nucleo (se l'atomo è neutro).

Il numero di massa indica quanti protoni e neutroni sono dentro al  nucleo. 

Ovviamente si ha che :

        numero di massa - numero atomico = numero di neutroni. 

Esempio (atomo dell'elio) :

L'atomo più semplice e leggero esistente in natura è l'idrogeno. Esso è costituito da un solo protone ed un elettrone che gli ruota attorno. 

Esistono però, in quantità molto minore, degli isotopi dell'idrogeno. 

Un isotopo di un atomo ha lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa, cioè un atomo ed un suo isotopo differiscono per il numero di neutroni. Un atomo può avere più isotopi.

Gli isotopi dell'idrogeno sono il deuterio che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone ed il trizio (ancora più raro) formato da un protone, due neutroni ed un elettrone. Graficamente :

L'idrogeno è l'atomo più comune in tutto l'universo e si suppone che l'universo primordiale ne fosse costituito quasi per la totalità. Secondo le attuali ipotesi si pensa che l'universo primordiale fosse composto di idrogeno, poco elio e tracce di litio. 

A questo punto sorge spontanea una domanda : se inizialmente l'universo era formato praticamente solo di idrogeno, come è che esistono anche gli altri atomi (ossigeno, carbonio, ferro ecc. ecc.) e che sono così abbondanti ?

La risposta si pensa che sia una sola : gli altri tipi di atomi si sono "formati" in quelle immense e caldissime fucine che sono le stelle ...

Vediamo molto brevemente ed in sintesi come avviene la nascita di una stella e la sua successiva evoluzione fino alla morte, nonché come si formano, a partire dall'idrogeno, gli altri atomi. 

La descrizione che riportiamo è solo approssimativa essendo la realtà, come sempre, molto più complessa di ogni modello possiamo noi creare. 

01 - Evoluzione stellare : nascita, vita e morte di una stella.

Una enorme nube (nebulosa) costituita prevalentemente di idrogeno (l'elemento più diffuso nell'universo) comincia a comprimersi grazie alla forza gravitazionale (sempre attrattiva) fra gli atomi che la compongono.

Comprimendosi, la nube diviene sempre più densa e calda. Gli atomi di idrogeno, scaldandosi sempre più (la temperatura è legata alla energia cinetica degli atomi, ovvero al loro grado di agitazione) cominciano ad urtarsi con maggiore energia.

Ad un certo punto, a causa degli urti sempre più energetici, gli elettroni si staccano dagli atomi di idrogeno e si forma un plasma (stato di aggregazione della materia in cui nuclei ed elettroni sono mescolati in una specie di gas caldissimo).

A causa della gravitazione la nube diventa sempre più densa e calda ed ad un certo punto i protoni cominciano ad urtarsi con sempre maggiore forza ed a raggiungere distanze relative molto piccole. Riescono allora, a causa dell'enorme agitazione termica (energia) che possiedono, a vincere le forze di repulsione elettriche che a distanze sempre più piccole diventano sempre più grandi (inversamente proporzionali al quadrato della distanza).

Quando le distanze fra i protoni diventano più piccole di un certo valore critico, "scattano" le forze nucleari.

La forza nucleare fra protoni fa sì che da nuclei di idrogeno si formino nuclei di elio. Questa reazione si chiama fusione nucleare.

La reazione nucleare di fusione dell'idrogeno che avviene in una stella può essere così simbolicamente indicata (in effetti è molto più complessa, ma a noi interessa capire il fenomeno a grandi linee) :

        1 deuterio  + 1 deuterio ===> 1 nucleo di elio + energia .

La reazione per la creazione dell'elio a partire dall'idrogeno ha una fondamentale caratteristica. La massa di un nucleo di elio prodotto è lievemente minore della massa dei quattro nucleoni (protoni e neutroni) che lo hanno formato.

Secondo il principio di conservazione della massa e dell'energia, se in una reazione si perde massa essa si deve trasformare in energia.

L'energia che si libera in questa reazione è data dalla nota formula di Einstein :

        E = m c ²

Questa energia è enorme !!!

Per farci un'idea di quanto grande è questa energia, immaginiamo che la massa di un chilogrammo si trasformi completamente in energia. Sapendo che la velocità della luce nel vuoto  c  è circa  300.000.000 m/s  (metri al secondo), otteniamo :

        E = 1 · (300.000.000) ² = 90.000.000.000.000.000 joule 

dove il joule è l'unità di misura dell'energia nel sistema internazionale. 

Considerando che circa dieci joule corrispondono all'energia prodotta facendo cadere un corpo di massa un chilogrammo da un metro d'altezza nel campo gravitazionale sulla superficie terrestre, lasciamo al lettore di immaginare quanto grande sia questa energia !!!

La stella così si "accende" emettendo una enorme quantità di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (di tutti i tipi, dalle frequenze radio ai raggi gamma) e di particelle (per il nostro sole, è il cosiddetto vento solare).

La stella raggiunge allora l'equilibrio e cessa di comprimersi perché la pressione verso l'esterno prodotta dalla fusione nucleare controbilancia la forza gravitazionale che tenderebbe a farla comprimere su se stessa indefinitamente.

Ma l'idrogeno che costituisce il "combustibile", trasformandosi in elio, prima o poi si esaurisce.

Dopo milioni o miliardi di anni (a seconda della sua massa) una stella è destinata a morire.

Avvengono allora tutta una serie di trasformazioni che portano la stella a diversi destini e ciò in dipendenza della sua massa. 

Schematizzando enormemente, si ha che se una stella è più leggera di una certa massa critica (circa 7 masse solari) una stella diventa prima una gigante rossa e poi una nana bianca rimanendo tale fino alla sua completa morte.

Per le stelle di questo tipo, dopo che si è bruciato tutto l'idrogeno, si comincia a bruciare l'elio creando i nuclei fino al carbonio. A questo punto la stella, divenuta una nana bianca, sarà costituita da carbonio e così lentamente si spegnerà.

Il nostro sole avrà questo destino !!! Nella fase precedente di gigante rossa diventerà così grande e caldo da inglobare e distruggere almeno i pianeti più vicini (compresa, ahimè, la nostra terra).

Per le stelle dell'altra categoria (quelle con massa maggiore della massa critica) l'evoluzione è molto più eclatante. Esse diventeranno giganti rosse e poi, esplodendo con una immane esplosione, (fase di supernova) diventeranno o stelle di neutroni o buchi neri.

Durante la fase di gigante rossa, verranno creati dalle enormi temperature anche gli atomi fino al ferro. Gli atomi più pesanti del ferro, però non possono essere creati in quella fase. Non vi è energia sufficiente. Le trasformazioni nucleari fino al ferro producono energia che mantiene in equilibrio la stella controbilanciando la forza gravitazionale.

Quando tutta la materia si è trasformata in ferro, non vi è più nulla da bruciare (non vi è energia sufficiente per fondere (nuclearmente) il ferro e creare atomi più pesanti). A questo punto la stella "crolla su se stessa" non essendo più la gravità controbilanciata dal calore prodotto dalla fusione nucleare.

Si ha così la creazione di una supernova con una immane esplosione. In pochi istanti tutta la massa della stella collassa drammaticamente con emissione di grandi quantità di materia ed energia. Una supernova è addirittura visibile in pieno giorno !!! (si ricordino le varie testimonianze storiche fra cui l'ultima , quella  di Tycho Brahe del 1572).

Durante l'esplosione che caratterizza la creazione di una supernova vengono messe in gioco energie così alte (si tratta dei fenomeni energetici più intensi conosciuti) tali da produrre i nuclei più pesanti del ferro.

Abbiamo visto allora che i diversi tipi di atomo vengono creati a partire dall'idrogeno in quelle enormi fucine che sono le stelle. Possiamo affermare quindi che veramente noi "siamo figli delle stelle" !!! Altrimenti nell'universo vi sarebbe solo del tenue idrogeno ...

Sorge allora una domanda inquietante. Come è possibile che qui sulla terra esistano gli elementi più pesanti del ferro quando il nostro sole non è in grado di produrli (appartenendo esso alla prima categoria di stelle) ?

La risposta è che, probabilmente, la nebulosa da cui si è generato il sole (e con esso il sistema solare) è stata "inseminata" dall'esplosione di una supernova che era nelle sue vicinanze. 

02 - Stelle di neutroni (pulsar) e buchi neri.

Quando una stella massiccia (del secondo tipo) muore, una sua parte, dopo l'esplosione che produce la supernova, si trasforma in un nucleo densissimo di neutroni.

Se, infatti, gli elettroni si fondono con i protoni, si ottengono neutroni. Quindi, in certe condizioni di pressione, la materia si trasforma in neutroni estremamente addensati. Tutta la massa di una stella si riduce così in una "palla" di pochi chilometri di raggio !!!

E' così che si forma una stella di neutroni.

Queste stelle di neutroni possono incredibilmente ruotare su se stesse centinaia di volte al secondo emettendo impulsi regolari che le prime volte che vennero captati (negli anni '70) furono "scambiati" per segnali alieni ... Queste stelle si chiamano pulsar.

Se poi, la densità di questa materia supera un certo valore, si ha un fenomeno che ha dell'incredibile. Si ha la formazione di un buco nero che, secondo la teoria della relatività generale di Einstein, incurva così tanto lo spazio-tempo intorno a sé da far sì che nemmeno la luce ne possa più uscire (da qui il nome).

I buchi neri sono ovunque nell'universo ed addirittura nel centro della nostra galassia, la Via Lattea (così come si pensa per ogni altra), ve ne è uno gigantesco dalla massa di due milioni di masse solari.

Fine.