16 – L’ultima parola della Gravità: Stelle di Neutroni e Buchi Neri

La vita di una stella è, in qualche modo, una lunghissima partita giocata tra la gravità e la materia. Al collasso gravitazionale (un goal per la gravità), segue il rilascio di energia delle nuove reazioni nucleari (goal per la materia). Ma è sul campo delle stelle molto massicce che la gravità dà il meglio di sé.

Abbiamo tracciato la biografia di due stelle di massa molto diversa. Mentre il destino della minore è segnato, diventerà una nana bianca, e a meno di particolari incidenti rimarrà così per un tempo lunghissimo, per la maggiore i giochi non sono ancora fatti. Una volta esplosa come supernova di tipo II, andrà incontro a una ulteriore trasformazione. E quale sarà dipende, ancora una volta, dalla massa rimanente.

Indice

Rappresentazione artistica di una pulsar

Stella di neutroni o buco nero?

Come detto nel Capitolo precedente, con l’esplosione di supernova una grande quantità di materia dell’astro viene espulsa verso l’esterno. Questa nube di gas e polveri in espansione, chiamata “resto di supernova diffuso”, raccoglie anche il mezzo interstellare precedentemente esistente nella zona di espansione, ed è spesso attraversata da onde d’urto generate dall’esplosione stessa o dall’interazione tra la nube e il mezzo interstellare. I resti di supernova sono oggetti effimeri, che gradualmente, in qualche migliaio di anni, si dissolvono nello spazio interstellare.

Una esplosione di supernova può disintegrare completamente la stella, ma spesso un nucleo denso di materia sopravvive al centro della nube, il cosiddetto “resto di supernova compatto”. La materia di questo nucleo è così schiacciata da non poter esistere in condizioni normali, ma si trova sotto forma di materia degenere. Abbiamo già parlato di questo stato fisico della materia nel Capitolo 13. In quell’episodio, ci riferivamo alla materia degenere di cui sono composte le nane bianche, che sono sostenute dalla pressione degenere degli elettroni. Nel nucleo di una supernova però non troviamo elettroni, ma solo neutroni degeneri. Infatti, durante la fase di supernova i protoni e gli elettroni vengono fusi insieme dando origine a neutroni. Se la massa del resto di supernova è inferiore a circa 3 masse solari – ciò accade generalmente per stelle con massa iniziale non superiore a 20 volte quella del Sole – il corpo celeste può trovare un nuovo equilibrio sostenendosi con la pressione degenere, questa volta dei neutroni.

 

Stelle di neutroni

Nasce allora una Stella di Neutroni, l’oggetto più denso visibile nell’Universo. I neutroni sono schiacciati a una densità 100.000 miliardi maggiore di quella della roccia. Un cucchiaino di questa materia sulla Terra peserebbe un miliardo di tonnellate! E dire che il cucchiaino di nana bianca ci pareva così pesante… Se il Sole avesse una simile densità, sarebbe compresso nello spazio di una città (una ventina di km di diametro). E se lo avesse la Terra? Il nostro pianeta avrebbe un diametro di circa 300 m.

La gravità regna sovrana su un corpo celeste di questo genere. Ricordiamo che l’attrazione gravitazionale tra due corpi aumenta con l’aumentare delle masse, e diminuisce con la distanza, intesa come separazione tra i loro centri di massa. Pertanto, un oggetto molto denso esercita un’attrazione gravitazionale molto maggiore alla superficie. Abbiamo anche visto che, secondo la Relatività Generale, la forza di gravità è in realtà l’effetto della curvatura dello spazio, che viene prodotta da qualsiasi oggetto abbia massa.

La forza gravitazionale su una stella di neutroni è dell’ordine di 2 miliardi di volte superiore a quella che sperimentiamo sulla Terra. Condizioni estreme, dove gli effetti previsti dalla Relatività si mostrano in tutta la loro meraviglia. La Relatività, ad esempio, ci dice che il tempo scorre più lentamente dove il campo gravitazionale è più forte. Perfino sulla Terra ci sono piccolissime differenze tra lo scorrere del tempo in montagna e in pianura (piccolissime, ma ci sono).

Su una stella di neutroni queste differenze sarebbero così pronunciate che le gambe di un ipotetico abitante invecchierebbero più lentamente delle parti superiori del suo corpo. Un altro fenomeno che caratterizza le stelle di neutroni predetto dalla Relatività riguarda la deviazione della luce causata dalla massa. Anche le onde elettromagnetiche, infatti, seguono la curvatura dello spazio. E la curvatura impressa da una stella di neutroni allo spazio circostante è così estrema da piegare la radiazione che emette, tanto da rendere visibile parte della superficie posteriore dell’astro.

 

Le Pulsar

Esistono stelle di neutroni quiete, che se ne stanno pigre in mezzo alla nube del resto di supernova emettendo raggi X. Queste risultano molto difficili da scovare con strumenti ottici, in quanto, sebbene caldissime (inizialmente fino a 1000 miliardi di gradi), sono anche estremamente piccole e distanti. Ma la maggior parte di esse, come conseguenza dell’esplosione di supernova, ruota vertiginosamente, fino a centinaia di volte al secondo!

Questa rapidità sconcertante è dovuta al fatto che la rotazione di un corpo è maggiore se il diametro diminuisce, per il principio della conservazione del momento angolare. L’analogia che di solito si fa è quella di una pattinatrice che, per piroettare più velocemente, stringe le braccia, diminuendo, appunto, il suo diametro.

Le stelle di neutroni possiedono anche un intensissimo campo magnetico, la cui origine è ancora incerta. A causa di esso, il plasma presente sulla superficie dell’astro (materiale ionizzato caldissimo, elettroni e nuclei atomici, che si muovono alla rinfusa), è costretto a muoversi in direzioni obbligate, generando campi elettrici che si intensificano presso i poli magnetici. Il plasma elettricamente carico viene espulso dai poli magnetici, e seguendo le curve del campo magnetico, genera fasci ristretti di luce.

Queste radiazioni, dunque, non vengono emesse da tutta la superficie ma solo entro due coni molto stretti originatisi dai poli magnetici della stella. Questo fenomeno si manifesta sotto forma di regolari impulsi radio, che riceviamo quando uno dei coni è rivolto verso la Terra. Per la loro peculiare natura pulsante, che ne permise la scoperta nel 1967, le stelle di neutroni vengono anche dette Pulsar (pulsating radio star).

All’epoca, il rilevamento di impulsi emessi a intervalli estremamente regolari generò molta curiosità e parecchie speculazioni; qualcuno, ovviamente, pensò che fossero prodotti da una forma di vita extraterrestre intelligente. La loro origine fu poi definitivamente attribuita alle stelle di neutroni, oggetti fino ad allora solo ipotizzati.

 

Il destino delle Stelle di Neutroni

Una stella di neutroni può vivere per un tempo lunghissimo, gradualmente rallentando la sua $rotazione$ e raffreddandosi, fino a diventare praticamente invisibile. Se cerchiamo di metterci nei panni della nostra protagonista maggiore, come ci divertiamo a fare in questa serie di articoli, potremmo immaginare che, dopo la sua lunga esistenza burrascosa e le sue tante metamorfosi, forse inizierebbe a sperare di aver raggiunto il suo ultimo traguardo.

Trascorrere miliardi di anni volteggiando nel cielo, comunicando con forme di vita intelligenti che prima o poi incroceranno i suoi getti come un faro nel buio, stuzzicandone la fantasia e accrescendo il loro sapere. O forse invece, intrepida com’è, la nostra stella spererebbe di compiere un’ultima trasformazione…quella più misteriosa, più definitiva (anche se “definitivo” è un aggettivo che poco si addice ai fenomeni cosmici).

Sì, perché se il frammento stellare rimasto dopo l’esplosione della supernova è ancora troppo grande (si suppone oltre 2-3 masse solari, il valore preciso è ancora incerto), la pressione degenere dei neutroni non è sufficiente a mantenerlo in equilibrio. IN questo caso, di nuovo, la contrazione continua. La gravità mette a segno un altro goal. Nasce così l’oggetto più misterioso dell’astronomia. Quello che ci affascina e allo stesso tempo ci terrorizza, quello che, un po’ a torto, consideriamo un mostro: il buco nero.

Ciò che spaventa di più, si sa, è ciò che non si conosce. Nel prossimo Capitolo proveremo a fare la conoscenza di un buco nero. Ne descriveremo le caratteristiche principali, accenneremo a qualche fatto curioso, e, come nostra abitudine, proveremo anche a entrare in sintonia con lui.

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4 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Mi stupisce sempre che ci sia bisogno della Materia Oscura (5 o 6 volte la Materia Ordinaria) per spiegare l'Universo quando ci sono tanti corpi praticamente invisibili e pesantissimi. Complimenti per il bellissimo articolo.

  2. Grazie mille, Gaetano! Anche a me non piace il ricorso a sostanze ignote per descrivere i fenomeni, mi ricorda le pratiche del passato (quintessenza, etere, ecc.). Però qui sembra proprio che, secondo le stime, la quantità di questi corpi nascosti non sia sufficiente. Ma vedremo! Chissà. Magari i posteri sorrideranno pensando alle nostre teorie attuali

  3. L'articolo è piacevolissimo da leggere e i fenomeni cosmici sono descritti in modo da essere compresi da tutti. Interessanti e utili anche gli esempi. Ma quando mi misuro con quantità e misure talmente enormi la ragione sembra perdersi 😆

  4. Grazie per le bellissime parole! Pienamente d'accordo, la nostra esperienza di esseri umani è troppo limitata per permetterci di concepire appieno condizioni così estreme. Eppure, piccoli e limitati quali siamo, abbiamo una mente che può portarci ovunque! Lo studio della cosmologia può farci sentire insignificanti, o al contrario può aiutarci a comprendere quanto preziosi siamo...

    Citazione Originariamente Scritto da Alby68a Visualizza Messaggio
    L'articolo è piacevolissimo da leggere e i fenomeni cosmici sono descritti in modo da essere compresi da tutti. Interessanti e utili anche gli esempi. Ma quando mi misuro con quantità e misure talmente enormi la ragione sembra perdersi 😆