SELECTAnche le stelle muoiono

Pumbaa: Io ho sempre pensato che fossero masse gassose che bruciano a miliardi di chilometri di distanza!
Timon: Pumbaa, tutto quello che pensi lo trasformi in gas!

Ebbene, Pumbaa del Re Leone aveva ragione. Le stelle bruciano il loro combustibile per tutto il corso della loro lunga vita. Cosa succede però quando il combustibile è stato tutto bruciato?

L’idrogeno diventa elio, liberando energia e calore, e la fusione prosegue verso materiali più pesanti. La forza gravitazionale aumenta e la sorte della stella dipende dalla sua stessa massa: se l’energia generata è più elevata della forza gravitazionale essa espelle gli strati esterni e può esplodere in una nebulosa; se invece la forza gravitazionale è maggiore essa può implodere fino a dar vita ad un bel buco nero.

Grazie al diagramma di Hertzprung-Russell, detto diagramma di Prung o più comunemente diagramma HR, è possibile avere un preciso raffronto tra luminosità e magnitudine delle stelle comprendendone l’evoluzione e le caratteristiche.

Le nane di classe M e K.

Le stelle di classe M con masse solari comprese tra 0,08 e 0,4, meglio conosciute con il nome di nane rosse, sono in assoluto le più comuni dell’universo conosciuto. Una volta raggiunta la massa nucleare sufficiente, si innesca al loro interno una complessa serie di contrazioni e collassi gravitazionali con innalzamento della temperatura nucleare anche oltre i 100 milioni di gradi kelvin. Questo genera l’innesco della fusione dell’elio in carbonio ed ossigeno, mentre gli strati superiori, in reazione all’energia liberata, si espandono e raffreddano mentre l’idrogeno residuo continua a fondersi in elio. La stella assume così una colorazione sempre maggiormente tendente al rosso.
Con il lento raggiungimento di un nuovo equilibrio la stella si contrae leggermente passando dal ramo delle Giganti Rosse al ramo orizzontale del diagramma HR.
Quando nel nucleo l’elio è stato esaurito la fusione in carbonio inizia negli strati successivi dove l’idrogeno è stato completamente consumato. La stella si trova quindi nel ramo asinotico delle Giganti.
Spesso gli strati più esterni arrivano in questa fase ad un diametro che supera di centinaia di volte quello del Sole.
Se la stella ha massa sufficiente, ma non superiore alle 9 masse solari, col tempo è possibile che il carbonio si fonda in parte in ossigeno, neon e magnesio dando vita così ad una Gigante blu, caratterizzata da dimensioni minori e da temperatura superficiale più elevata.

Espellendo gli strati esterni, con il cessare della fusione del combustibile nucleare, la stella darà quindi vita direttamente ad una nana bianca (di dimensioni tendenzialmente paragonabili a quelle della Terra) composta prevalentemente da elio.

Per quanto riguarda stelle la cui massa è compresa tra le 0.5 e 0.8 masse solari, dette di classe K, all’interno si generano violente pulsazioni termiche che causano l’espulsione degli strati più esterni in venti stellari molto forti i quali assorbono la radiazione ultravioletta causata dall’alta temperatura esterna. Essa viene riemessa come luce visibile dall’involucro e si costituirà una nebulosità in espansione al cui centro rimarrà il cosiddetto nucleo della nebulosa planetaria, il quale diverrà poi nana bianca.

Una nana bianca appena formata ha una temperatura molto elevata, pari a circa 100-200 milioni di gradi Kelvin, che diminuisce in funzione degli scambi termici con lo spazio circostante. Un modello teorico prevede che l’oggetto raggiunga come stadio ultimo quello di una più fredda nana nera, ma si pensa che il tempo per raggiungere tale stadio sia superiore all’età stimata dell’universo e per questo motivo non si possano trovare riscontri.

Stelle normali, grandi o giganti.

Nelle stelle con masse superiori ad 8 masse solari, la fusione nucleare continua finché il nucleo non raggiunge una massa incredibimente elevata. Il nucleo non può tollerare la sua stessa massa e si innesca un improvviso collasso.
Elettroni e protoni si urtano dando origine a neutroni e neutrini, si genera quindi un’improvvisa onda d’urto che provoca un’irreversibile espansione della stella. Essa diventa una brillantissima supernova. Queste stelle superano, anche se solo per breve tempo, la luminosità complessiva della galassia che le ospita.
Gli uomini poterono osservare supernovae esplose in epoca storica nella Via Lattea, trattandosi di stelle non visibili ad occhio nudo prima dell’esplosione diedero loro il nome di “novae” ritenendole erroneamente stelle nuove.
Solo le iper-giganti generano ipernovae, ma @rorscach796 ne ha già parlato egregiamente qui.

Viene liberata un’energia tale da consentire un ulteriore fusione del prodotti sintetizzati nel nucleo fino all’ottenimento di elementi pesanti come l’oro e il magnesio.
Con l’esplosione si libera nello spazio la maggior parte della materia componente la stella, formando il cosiddetto resto di supernova.
Il nucleo sopravvive in uno stato altamente degenere.
Se il residuo mantiene una massa tra 1.4 e 3.8 masse solari collassa in una stella di neutroni. Essa si configura come stabile poiché il collasso gravitazionale è compensato dalla pressione della materia da cui la stella è prevalentemente costituita.

Nel caso in cui il nucleo mantenga una massa superiore alle 3.8 masse solari nessuna forza è in grado di contrastare il collasso. La gravità aumenta con il collassare del nucleo fino a che il nucleo non raggiunge dimensioni inferiori al raggio di Schwarzschild (la distanza che un oggetto dovrebbe percorrere per sfuggire all’attrazione gravitazionale di un punto): si origina così un buco nero stellare.
I buchi neri rimangono prevalentemente un mistero per fisici ed astronomi e costituiscono forse la migliore fonte di ispirazione per i divulgatori di teorie pseudo-scientifiche su universi paralleli e viaggi nel tempo.

Un’interessante quanto nuova scoperta:
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Gli elementi pesanti dispersi dall’esplosione possono essere reimpiegati in processi di nuove formazioni stellari o anche permettere la formazione di sistemi extrasolari con eventuali pianeti di tipo roccioso, perché nulla si crea e nulla si distrugge ma l’universo ricicla che è una meraviglia.

Fonti e approfondimenti:
Per quasi qualsiasi cosa non abbiate capito potete passare qui.
Qui, qua e se vi piace la carta stampata un buon libro con le basi generali (e questo discorso) qui.
Per tutto il resto c’è lui.