E-school  di  Arrigo Amadori

Miscellanea

Oltre il ferro

L'universo è fatto (quasi completamente) di idrogeno.

Secondo la teoria del big bang, la materia del nascente universo fu ben presto costituita quasi 
completamente da atomi di idrogeno (con una piccola parte di elio e tracce di litio). L'idrogeno è 
formato da un solo protone ed un solo elettrone che gli orbita attorno ed è l'atomo più semplice 
esistente in natura.

Dopo miliardi di anni (13,7 secondo le ultime stime) l'universo è ancora costituito in stragrande 
maggioranza di idrogeno: stelle,  galassie e nubi interstellari sono composte quasi completamente 
di esso. Gli altri elementi sono solo una piccola minoranza (circa il 10 %). 

Questo non toglie che localmente gli altri elementi possano essere maggioritari. E' il caso dei pianeti come 
la terra in cui l'idrogeno è presente praticamente solo nell'acqua mentre gli altri elementi sono in maggioranza. 

Il problema è allora come spiegare l'esistenza degli altri elementi diversi dall'idrogeno e come si sono
formati a partire da esso.

La nucleogenesi avviene nel cuore delle stelle.

Le prime stelle dell'universo si sono formate perché immense nuvole di idrogeno primordiale si sono
contratte a causa della forza gravitazionale (che è centripeta) su sé stesse fino ad innescare la reazione
atomica di fusione nucleare che dall'idrogeno produce elio ed una immensa energia. Un atomo di elio
è formato da due protoni e due neutroni attorno a cui ruotano due elettroni.

Questo processo è lo stesso che accende e fa ardere per miliardi di anni qualsiasi stella, anche quelle 
che si sono formate molto dopo il big bang e che si formeranno in futuro. Anche la nostra stella, il sole,
funziona così.

La creazione dell'elio avviene quindi a partire da atomi di idrogeno che collidono fortemente. Nella reazione
atomica (fusione) che ne deriva si ha una grande emissione di energia perché l'elio che si forma ha una massa 
leggermente minore di quella degli atomi di idrogeno che l'hanno prodotto. Questo difetto di massa si trasforma 
in energia secondo la nota formula di Einstein   E = m c² . 

E' questa energia che ci arriva ogni istante dal sole sotto forma di radiazione elettromagnetica e che permette 
la vita sulla terra.

Dopo miliardi di anni l'idrogeno che costituisce il carburante per la reazione di fusione nucleare si esaurisce. Ogni
stella è destinata inesorabilmente a morire. 

Nel frattempo, fra la nascita e la morte di una stella, si esplica la cosiddetta evoluzione stellare. Gli scenari possibili
sono diversi e dipendono dalla massa della stella in quanto è la forza di gravità che produce le immense pressioni
in grado di innescare le reazioni nucleari. Maggiore è la massa, maggiore è la forza di gravità, maggiori sono le 
temperature che si generano per pressione all'interno della stella.

Per descrivere l'evoluzione stellare, facendo notevoli approssimazioni e senza nessuna pretesa di completezza,
possiamo dividere le stelle essenzialmente in due tipi : le stelle di massa medio-piccola fino a 7 masse solari e 
le stelle di massa grande oltre 7 masse solari.

Questa schematizzazione è ovviamente imperfetta in quanto la realtà è sempre più complessa di ogni teoria. Comunque
è utile per farsi un'idea dei processi fisici che avvengono nella realtà. 

Descriviamo ora a grandi linee l'evoluzione dei due tipi di stelle.

Gli atomi più leggeri del ferro.

Le stelle del primo gruppo (il nostro sole è una di quelle) dopo che hanno bruciato l'idrogeno per formare l'elio
iniziano a bruciare l'elio formando carbonio. Contemporaneamente la stella comincia ad espandersi fino ad inglobare
in sé i pianeti vicini (anche la terra !). La stella diventa così una gigante rossa.

Successivamente, poiché la massa non è grande a sufficienza e non si raggiungono le temperature necessarie, 
non possono avvenire altre reazioni nucleari per cui la gigante rossa è destinata a raffreddarsi e comprimersi
progressivamente fino a diventare una nana bianca, cioè una stella molto piccola, calda (da cui il colore bianco) e 
densa formata di carbonio. Una nana bianca finirà la propria evoluzione come tale, senza cambiare ulteriormente ma 
spegnendosi a poco a poco.

Per le stelle del secondo gruppo si ha dapprima una evoluzione simile a quelle del primo ma, essendo la forza di
gravità più  grande, si sviluppano temperature tali da innescare ulteriori reazioni atomiche.

La stella diventa una supergigante rossa che si espande molto di più di una simile gigante rossa (se il sole fosse
di questo tipo, arriverebbe ad inghiottire tutto il suo sistema planetario !) ed al suo interno si vengono a creare
altri atomi, non solo il carbonio. Queste ulteriori reazioni sono in grado di produrre nuovi elementi fino al ferro.

Le reazioni nucleari che formano gli atomi di peso fino al ferro sono reazioni esoenergetiche, cioè producono 
energia, oltre, invece, sono endoenergetice, cioè assorbono energia. Queste ultime sono molto inefficienti, 
necessitano di temperature enormi e non sono in grado di "sostenere" la stella come tale (una stella si sostiene 
in quanto l'energia che produce è in grado di controbilanciare la forza di gravità).

Trasformata tutta la materia del nucleo in ferro, una supergigante rossa non ha più nulla da bruciare (come abbiamo detto
prima le successive reazioni nucleari possono essere solo endoenergetiche) e non è in grado di emettere più energia. Avviene
allora repentinamente uno dei fenomeni più incredibili, energetici e sconvolgenti osservabili nell'intero universo. La supergigante
rossa "crolla" su sé stessa ed in poche frazioni di  secondo produce una immane esplosione .

La stella si è trasformata in una supernova e tutta la sua materia viene espulsa in ogni direzione. Solo un nucleo
estremamente denso può rimanere e formare o una stella di neutroni o un buco nero.

L'esplosione di una supernova è un evento catastrofico che è ben visibile ad occhio nudo anche per molti giorni ed 
anche in piena luce. Famose sono le cronache di astronomi cinesi del 1054 che ne descrissero una. Un'altra 
apparve ai tempi di Galileo. 

Lo scoppio di una supernova "insemina" così lo spazio degli elementi che si sono formati al suo interno
ed è così che nell'universo esistono un po' ovunque elementi diversi dall'idrogeno primordiale.  

Gli atomi più pesanti del ferro.

Ma cosa si può dire degli elementi più pesanti del ferro ? Essi non vengono creati durante la vita della 
supergigante rossa, non vi energia a sufficienza. Essi potrebbero però essere creati durante l'esplosione 
da cui ha origine la supernova perché le energie prodotte in quell'evento sono sufficienti a creare gli
elementi più pesanti del ferro.

Anche altri processi cosmici estremamente energetici potrebbero formare questi elementi. 

Tali fenomeni potrebbero essere la collisione di buchi neri o addirittura di galassie. 

 
due galassie in collisione (foto NASA)  http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html

Conclusione.

Sorge ora spontanea una domanda: se il sole non ha l'energia sufficiente per produrre atomi più pesanti del
ferro, com'è che la terra ne è piena ?

La risposta potrebbe essere che il sole si è formato da una nebulosa che già conteneva questi elementi perché 
prodotti da supernovae o da urti di buchi neri precedenti al sole stesso. 

Una strana forma di "reincarnazione" stellare ...

Fine. 

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