Archivi del giorno: 1 agosto 2008

Astronomica 6 – Supernovae

Torna a grande richiesta Astronomica. Ho un po’ trascurato l’argomento, e visto che oggi ho avuto un pochino di tempo, perché no.
Ho pensato di rispondere alla mail di Roberta, che mi chiede di parlare di Supernovae. E di quello parleremo.

Innanzitutto, cosa sono. Siamo abituati a pensare al cielo come un posto sempre identico a se stesso; il poeta Manilio, che scrisse il poema Astronomica (guarda i casi della vita…) diceva

omnia mortali mutantur lege creata,[...]
at manet incolumis mundus suaque omnia servat,
quae nec longa dies auget minuitque senectus,
nec motus puncto curvat cursusque fatigat:
idem semper erit, quoniam semper fuit idem.
Non alium videre patres aliumve
nepotesaspicient: deus est, qui non mutatur in aevo.

che in italiano suona circa così

muta tutto ciò che è soggetto alla legge di morte[...]
ma rimane intatto il cielo e conserva tutto ciò che è suo,
non lo accresce un lungo spazio di tempo né si riduce invecchiando;
non lo piega per nulla il movimento né lo affatica la corsa:
sarà sempre uguale perché uguale è stato sempre.
Non diverso lo videro i padri né diverso lo vedranno
i nipoti:è dio e non cambia nel tempo.

La scienza ci dice che in verità il quadro è molto diverso, il cielo muta eccome, ma spesso lo fa con tempi così lunghi paragonati alla nostra vita che non siamo in grado di apprezzarli. In verità, però, il cielo è pieno anche di fenomeni transienti, ossia temporanei, i cui tempi scala possono essere apprezzati anche dai noi ometti dalla vita breve. Le supernovea appartengono a questa categoria. Sono sorgenti luminose fortissime che si accendono all’improvviso in cielo, là dove prima vedevamo stelle molto deboli o non vedevamo proprio nessuna sorgente luminosa.
Una delle più famose oggi ci appare così: 

Crab Nebula (Nebulosa del Granchio)
 

È la nebulosa del Granchio, una supernova che apparve in cielo nel 1054, e conosciamo la data con così tanta precisione perché la cosa venne registrata dagli astronomi cinesi. Pare fosse così luminosa che la si poté osservare persino di giorno per 23 giorni di fila, e per altri 653 la si poteva osservare di notte ad occhio nudo.
Ma cos’è una supernova?
Banalmente, semplificando quindi molto, è una stella che esplode. Di evoluzione stellare abbiamo già parlato un po’ nel post sui buchi neri; è ora di rinfrescare l’argomento.
Vi ricordo che una stella è sostanzialmente un motore a fusione nucleare; vuol dire che “brucia” un determinato carburante trasformandolo in qualcos’altro. Ad esempio, per la gran parte della sua vita brucia idrogeno in elio. Nella stella, si fronteggiano ed equilibrano due forze contrastanti: la forza di gravità della massa di cui è composta, che tende a farla diventare sempre più piccola (si dice collassare) e la pressione di radiazione, ossia la forza di espansione dovuta alle reazioni termonucleari che avvengono nel suo nucleo. Nelle stelle che vediamo in cielo, le due forze sono in equilibrio.
Ora, una stella consuma carburante. Quando questo finisce, succede che la pressione di radiazione diminuisce, e la forza di gravità prevale per un po’, riuscendo a far contrarre la stella. Questo processo può essere fermato da vari fenomeni; ad esempio, man mano che la stella si contrae si riscalda, e questo le permette di iniziare a bruciare altri carburanti, ad esempio l’elio che ha prodotto, che si trasforma in carbonio. Il processo può andare avanti per un po’. Per esempio, una parte della catena è
idrogeno –> elio
elio –> carbonio
carbonio –> azoto
azoto –> ossigeno

finché non si arriva a produrre il ferro. Quel che avviene, a questo punto, è che non è possibile bruciare il ferro in altro mantenendo al contempo la stella in equilibrio. Infatti l’energia necessaria per bruciare il ferro sarebbe superiore all’energia che verrebbe prodotta dalla reazione. In questo caso si dice che la reazione è endoenergetica. È come quando si gioca al gratta e vinci; comprate dieci biglietti da 3 euro, per una spesa complessiva di 30 euro, e poi finite a vincerne 10 su un biglietto. La spesa è stata superiore alla vincita. Stessa cosa per il bruciamento del ferro. Indi per cui, non si produce più ferro per fusione nucleare.
A questo punto, il nucleo della nostra stella si trova in condizioni estreme; la temperatura è elevatissima, dell’ordine del miliardo di gradi, la densità spropositata. Elettroni e protoni (due dei costituenti fondamentali dell’atomo, i primi carichi negativamente, i secondi positivamente) interagiscono formando particelle che si chiamano neutrini. In questo processo, il nucleo si raffredda, e si contrae. Il processo è catastrofico, si autosostiene, e più il nucleo si raffredda, più il processo è efficiente. L’hanno chiamato processo URCA, dal nome di un Casinò di Rio de Janeiro in cui la gente finiva in rovina a forza di giocare. Per dire.
E poi? Questo processo ha effetti catastrofici sulla struttura della stella. In pratica, gli strati esterni “precipitano”, collassano, sul nucleo di ferro, ci “rimbalzano sopra” (sì, non è molto tecnico, ma rende l’idea) e la stella esplode. Voilà. Supernova. Per inciso, in questo momento fenomeni di nucleosintesi (ossia trasformazione di un qualche elemento in qualcos’altro) diversi dalla fusione permettono la produzione di elementi più pesanti del ferro. Del resto, sulla terra è pieno di elementi più pesanti del ferro, qualcuno dovrà pure averli prodotti. Quel qualcuno sono le supernovae.
Quel che resta dopo l’esplosione è l’immagine che vi ho postato in apertura: una nube di materiale espulso da questo gigantesco “botto”. A volte, al centro della nube può rimanere altro: un buco nero, ad esempio, o un stella di neutroni. A volte non resta niente. Dipende tutto dalle dimensioni iniziali del progenitore della supernova, ossia della stella che è esplosa.
In verità, nessuno sa esattamente come una supernova esploda. Tutti i modelli che abbiamo descrivono il collasso e la successiva espansione, ma non spiegano come, quando e perché la stella esploda. Quella che ho usato è una descrizione, rozza quanto si vuole, ma efficace che spiega come molti pensano che avvenga l’esplosione, ma per la verità nessuno conosce davvero questo meccanismo.
Le esplosioni di supernova sono tra gli eventi più catastrofici che si possano osservare in cielo. Producono una marea di radiazione, e sono luminosissimi. Per esempio; let me introduce you SN2002cv, una supernova che è stata scoperta dall’osservatorio astronomico di Campo Imperatore. 

SN2002cv
 

L’aggeggio allungato che vedete è una galassia. Il pallino luminoso indicato dalle freccette bianche è la supernova. Come vedete, la sua luminosità è confrontabile con quella della galassia, e vi ricordo che una galassia è composta da decine, centinaia di miliardi di stelle.
Ora, la storia che vi ho raccontato in verità riguarda solo un tipo di supernova, quello di tipo II. Ebbene sì, quello delle supernovae è un fenomeno molto complesso, e ce ne sono di svariati tipi e sottotipi. Ve li elenco per completezza, ma non ho alcuna presunzione di essere esaustiva. La differenza tra i due gruppi principali, supernovae di tipo I e II sta negli elementi presenti nella nube di gas che generano. A spanne, se c’è l’idrogeno, stiamo parlando di supernovae di tipo I, se non c’è abbiamo il tipo II. Poi esistono svariati sottotipi; ad esempio, le tipo I si dividono in Ia, Ib e Ic. Tanto per dire, le Ia nascono in sistemi binari. Volgarmente: due stelle che si girano intorno. Una è una stella “qualsiasi” (in cui ancora sono presenti reazioni termonucleari di qualche tipo), l’altra una nana bianca. Credo di avervelo già detto, ma una nana bianca è una stella “morta”, in cui non ci sono più reazioni termonucleari, e che è solo molto, molto calda. Ora, se le due stelle sono abbastanza vicine, la nana bianca inizia a succhiare materia dalla compagna. Questo disegno illustra molto bene il fenomeno

supernova di tipo Ia
 

A questo punto, superato un certo valore di massa, detto limite di Chandrasekar (poi un giorno vi racconto di quest’uomo), la nana bianca si contrae, si innescano le reazioni termonucleari e la stella esplode. Generalmente, questo tipo di supernovae non lasciano nulla se non una nube di gas.
Concludo con una cosina graziosa: questo è un filmatino che simula l’esplosione della Crab Nebula. 

 Qualche fonte per chi vuole saperne di più:
http://apod.nasa.gov/apod/ap981122.html
http://www.seds.org/messier/m/m001.html
http://www.bo.astro.it/universo/webcorso/webleggere/ferraro/fe2.html
http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/index.htmmainRecord=http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/contents/lngs_it/public/educational/physics/supernova/

Le immagini sono prese da
http://www.xilostudios.com/Stelio_montebugnoli.htm
http://sirio.rm.astro.it/cimperatore/it/site.html
http://www.osservatorioacquaviva.it/
http://www.youtube.com

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