A cura di
Massimiliano Bortlussi
L’ENERGIA DELLE STELLE: LA FUSIONE NUCLEARE
Quando vediamo
le stelle che brillano nel cielo dobbiamo sapere che per brillare producono una
quantità enorme di energia. Per renderci conto dell’enorme quantità di energia
che producono le stelle, basta prendere in considerazione la stella a noi più
familiare: il Sole. Grazie al Sole avvengono tutti i fenomeni climatici e
biologici del nostro pianeta anche se sulla Terra arriva soltanto una
piccolissima parte dell’energia prodotta dal Sole (2/5.000.000.000). Per capire
in che modo il Sole produce energia bisogna ricorrere alla fisica
contemporanea.
Le grandi difficoltà che si
incontrano sulla Terra per tenere
temperature capaci di sostenere con continuità le reazioni termonucleari, non
esistono sulle stelle e sul nostro Sole dove tali condizioni si verificano
naturalmente. Le stelle si formano dai gas che, sotto l'azione delle forze
gravitazionali, si ammassano in sfere sempre più dense. Le forze gravitazionali
esercitando una forza attrattiva sugli atomi del gas li accelerano, proprio
come la gravità accelera i corpi che cadono sulla Terra (inizialmente gli atomi
si muovono ad una certa velocità, che aumenta man mano che gli atomi si
avvicinano al centro di attrazione) . Poiché la temperatura di un gas è
determinata dalla velocità media degli atomi, avviene che mentre gli atomi «
cadono » verso il centro della stella la temperatura del gas aumenta. La massa
del nostro Sole è cosi grande, e di conseguenza le forze gravitazionali così
forti, che quando il gas, nel suo contrarsi, ha raggiunto la dimensione attuale
del Sole, la temperatura al centro era arrivata a circa 10000000 dì gradi
centigradi. Gli atomi sono tenuti cosi' strettamente ammassati dall'enorme
forza di questa grande quantità di materia premente su di essi, che la loro
densità è circa 100 g/cm3, cioè dieci volte più grande di quella del
piombo. In queste condizioni l’idrogeno brucia. Dire che l'idrogeno brucia
significa che si innesca un processo termonucleare in cui quattro protoni
iniziali subiscono una catena di reazioni che portano alla formazione di un
nucleo di He4. A causa della relativamente piccola repulsione
elettrostatica i nuclei di idrogeno danno luogo a reazioni termonucleari più
facilmente di ogni altro elemento. E poiché più del 90 % di tutti i nuclei dell’universo
è idrogeno, si capisce come questi processi siano predominanti fra quelli che
producono l’energia nelle stelle.
Ciò potrebbe non significare ancora nulla per quello che ci interessa, ma succede che la massa del nucleo dell’atomo di elio sia un po’ più piccola della somma delle masse di quattro nuclei di atomi di idrogeno e che questo sovrappiù di massa venga trasformato completamente in energia raggiante. Il fisico Hans Bethe, negli anni trenta, con una serie di esperimenti, dimostrò che da quattro nuclei di idrogeno, che sono formati da un solo protone, arrivano a fermare un nucleo di elio, che ha due protoni e due neutroni. In questa reazione di fusione però la materia diminuisce. 1+1 non è più uguale a 2, la massa mancante è diventata energia (in accordo con la teoria della relatività di Einstein: E=mc2 dove E è l’energia, m la massa e c la velocità della luce). Per capire completamente quanta energia viene prodotta dalle reazioni nucleari, basta pensare che 7milligrammi di idrogeno potrebbero bastare a tutti i bisogni energetici di una famiglia media per 20 anni e, che nel Sole ci sono 2000 miliardi di miliardi di miliardi di Kg di idrogeno sufficienti per 10 miliardi di anni di combustione, inoltre un grammo di idrogeno che si trasforma in elio produce un’energia pari a quella di un terremoto di magnitudine (intensità) pari a 5-6 gradi Richter, come la scossa principale del sisma che ha colpito l’Umbria e le Marche circa due anni fa.
L'ORIGINE DEGLI ELEMENTI
L'origine dell'Universo è e resterà un
mistero, ma sembra probabile che la materia fosse inizialmente costituita da
elettroni e protoni. I protoni si combinarono attraverso varie reazioni
nucleari per formare tutti i nuclei esistenti in natura; in essi il numero dei
protoni presenti varia all'incirca tra uno e cento. Una volta giunti in un
ambiente relativamente più freddo, i nuclei catturarono, per attrazione
elettrica, un numero di elettroni uguale al numero dei protoni; si formarono
cosi gli atomi elettricamente neutri degli elementi chimici. Le proprietà
chimiche degli atomi (e praticamente tutte le proprietà della materia sulla
Terra) sono determinate da come gli elettroni sono distribuiti attorno al
nucleo, il cui numero caratterizza la struttura atomica. Ma tale numero è a sua
volta determinato dal nucleo per cui si può dire che si crea un elemento
chimico ogni volta che si forma il suo nucleo. Sarà meglio però chiarirsi prima
le idee sulle reazioni termonucleari.
La probabilità che un urto fra due o più
atomi dia luogo a una reazione nucleare è determinata soprattutto da due
fattori: la penetrazione, avvenuta in seguito al superamento della barriera
elettronica, e la temperatura. La penetrazione della barriera decide quanto
spesso le due particelle avviate alla collisione riescono ad arrivare
abbastanza vicine da far sì che le forze nucleari entrino in gioco e producano
una reazione. La temperatura determina la probabilità che l'energia delle due
particelle sia sufficiente per penetrare la barriera poiché maggiore è la
temperatura, maggiore sarà la velocità degli atomi, quindi una maggiore forza
d’urto. Le particelle che intervengono nelle reazioni termonucleari hanno
energie assai inferiori all'altezza della barriera.
Molti altri fattori di minore importanza influiscono sulla
velocità di reazione. Un altro fattore è la densità delle particelle:
chiaramente la velocità di reazione è proporzionale ad essa.
Prendiamo in
considerazione la combustione dell'elio che avviene a una temperatura di 100
milioni di gradi producendo C12. Al crescere della temperatura
durante la combustione, altre reazioni divengono possibili. Per esempio le
reazioni C12 ® O16 (dal
carbonio tramite delle reazioni nucleari si forma l’ossigeno), O16 ® Ne20
(dall’ossigeno … si forma il neon). L’ossigeno ed il neon sono prodotti in
quantità apprezzabile e l’energia liberata innalza ulteriormente la
temperatura. Quando la temperatura
raggiunge i 600 milioni di gradi, cominciano a diventare importanti le reazioni
tra i nuclei di carbonio quali, ad esempio: C12 ® Mg24,
C12 ® Na23,
C12® Mg23.
I protoni emessi nella seconda reazione hanno energie superiori ai 2 MeV
(unità di misura dell'energia) possono facilmente reagire con gli altri nuclei
presenti per formare nuclei di numero atomico ancora maggiore. Quando la temperatura
raggiunge 1,2 miliardi di gradi, si producono reazioni Ne20 ® 016; a 1,6 miliardi di gradi diventano importanti
le reazioni tra nuclei di 016 che producono, per la maggior parte
dei casi, gli stessi risultati delle reazioni tra i nuclei di C12.
Sebbene sia
difficile analizzare nei dettagli come in questi processi gli elementi siano
prodotti e talvolta distrutti (per dare origine ad altri elementi), non è però
difficile comprendere perché l'ossigeno, il neon, l'azoto, il carbonio e il
silicio sono gli elementi più abbondanti nell'Universo dopo l'idrogeno e
l'elio. Il carbonio, che si produce direttamente dalla combustione dell'elio,
sarebbe l'elemento più abbondante di questo gruppo se non fosse cosi
frequentemente distrutto in successive reazioni tra le quali, le più
importanti, sono quelle che portano alla formazione dell'ossigeno e del neon;
1/3 000 dei nuclei dell’universo è ossigeno e il neon è circa la
metà dell'ossigeno mentre il carbonio è soltanto. un sesto circa dell'ossigeno.
A temperature ancora più elevate si formano nuclei sempre più pesanti (con più
protoni e più neutroni) che possono venire successivamente distrutti come nel
caso del carbonio. Quando un elemento viene prodotto in quantità maggiore è più
frequentemente distrutto finché si raggiunge un equilibrio tra produzione e
distruzione. Se si arriva a una temperatura abbastanza elevata, tale che
l'equilibrio sia completo (circa quattro miliardi di gradi), il numero di
nuclei presenti di ogni tipo è determinato dalle rispettive energie di legame:
quanto più fortemente sono legati i nuclei tanto più facilmente sono prodotti e
tanto meno facilmente distrutti. L'energia dì legame è massima intorno al peso
atomico 56, che corrisponde al ferro.
Nell'universo un atomo ogni 100.000 è di ferro, esso è all'ottavo posto fra gli
elementi più abbondanti in natura. Solo un nucleo su cento milioni ha peso
atomico maggiore di 70 e dì questi il 90% ha peso atomico compreso tra 70 e 90.
In molte
delle reazioni trattate come la C12 si producono neutroni. La
repulsione elettrica non ostacola il loro ingresso nei nuclei e i neutroni
raggiungono energie termiche e sono catturati in circa 10-10
secondi. In una reazione si produce un nucleo con peso atomico
aumentato di un'unità. Nelle situazioni che stiamo attualmente trattando, il
nucleo formerà con un decadimento un nucleo stabile dì uguale peso atomico.
Questo nucleo a sua volta può catturare un nuovo neutrone e così via; in tal
modo si possono formare nuclei di peso atomico molto elevato. Questo processo
spiega la formazione degli elementi pesanti fino al Bi83 (bismuto),
ma non può spiegare l'esistenza di elementi ancora più pesanti. Gli elementi
molto pesanti, come il torio (Th90) e l'uranio (U92), si
formano nelle supernovae, le potentissime esplosioni stellari in cui le
reazioni nucleari avvengono a velocità straordinarie. I neutroni sono prodotti
così rapidamente che un nucleo riesce a catturarne quasi uno al secondo. Una
certa quantità di elementi viene prodotta nelle regioni più esterne delle
stelle: altrimenti l'esistenza di deuterio, litio, berillio e boro sarebbe
difficile da spiegare. Tali elementi sono prodotti in grande abbondanza
all'interno delle stelle dove però sono presto distrutti in successive reazioni
nucleari. Per esempio il deuterio vicino al centro del Sole vive in media solo
due secondi. Analogamente il Li33 (litio) vive cinque secondi e il
Li34 (litio) un minuto. Nelle regioni più esterne delle stelle o
nelle perturbazioni (reazioni) superficiali di esse, le reazioni termonucleari
avvengono a un ritmo assai più ridotto o in esplosioni di durata molto breve,
per cui tali nuclei hanno li una maggiore probabilità di sopravvivenza. In
conclusione è giustificato descrivere le stelle, e fra queste il nostro Sole,
come giganteschi reattori termonucleari, fornaci dove i nuclei sono bruciati
in reazioni nucleari un po' come il gas o il carbone sono bruciati in reazioni
chimiche nei nostri forni domestici. Da questa combustione deriva, direttamente
o indirettamente, tutta l'energia dell'Universo e tutta la materia in tutte le
sue forme ad eccezione dei protoni e degli elettroni.
Oggi gli
scienziati, con sofisticatissime apparecchiature, hanno prodotto
artificialmente vari elementi fino all’elemento 112. L’elemento 112 è stato
creato bombardando con 5 miliardi di miliardi (5.1018) di
ioni di zinco scagliati ad una velocità di trentamila chilometri al secondo su
un bersaglio di piombo per ben tre settimane. L’unico risultato fu un atomo
esistito appena un terzo di millesecondo per poi decadere prima nel 110 e
successivamente nel fermio.

|
I NUOVI ELEMENTI |
||
|
Elemento |
Denominazione |
Simbolo |
|
104 |
Rutherfordio |
Rf |
|
105 |
Dubnio |
Db |
|
106 |
Seaborgio |
Sg |
|
107 |
Bohrio |
Bh |
|
108 |
Hassio |
Hs |
|
109 |
Meitnerio |
Mt |
|
110 |
= |
= |
|
111 |
= |
= |
|
112 |
= |
= |
UNA STELLA DI PICCOLA MASSA
Le Nane Rosse
Data al
sua piccola massa (meno di metà della massa solare) una stella di questo tipo
non riesce a sviluppare alte pressioni al suo interno, e così le reazioni
nucleari che avvengono al centro producono soltanto una modesta quantità di
energia. Proprio per l’estrema esiguità della loro combustione, queste stelle
hanno una vita straordinariamente lunga : per le più piccole si calcolano
periodi dell’ordine di centinaia di miliardi di anni. Poiché l’età dell’universo si aggira attorno a 15-20 miliardi di
anni, questo significa che fino ad oggi nessuna nana rossa è ancora morta.
Esaurito
l’idrogeno delle regioni centrali, l’interno di queste stelle risulterà
composto da elio, che per bruciare richiede temperature dell’ordine del
centinaio di milioni di gradi, temperature che nessuna stella con massa così
piccola può raggiungere. Resta perciò un nucleo inerte.
Poiché
la superficie di queste stele è molto piccola, le perdite per irraggiamento
dell’energia rimasta sono estremamente lente , e così, una volta esaurito
l’idrogeno al centro, la piccola stella continuerà ad emettere una luce sempre
più fioca, e lentamente sparirà del tutto alla vista, trasformato ormai in una
gelida ed invisibile nana nera.
STORIA DI UNA STELLA SIMILE
AL SOLE
Nubi di gas e di polveri sono sparse ovunque nella
galassia e sono immense. Una stella si forma quando una grande quantità di gas
(per lo più idrogeno) comincia a contrarsi attorno a nuclei di condensazione a
causa della sua attrazione
gravitazionale. Per formare una protostella sono necessari circa 1056-1057
atomi, equivalenti al numero di atomi presenti nel Sole. Nel corso del collasso
gli atomi dei gas entrano sempre più frequentemente in collisione fra loro e
con velocità sempre maggiori. Gli strati più interni del globo di materia di
formazione diventano sempre più caldi e densi a man mano che aumenta la
pressione degli strati più esterni che premono per azione gravitazionale.
Inizialmente la protostella aveva una temperatura di circa 100 K (-173 °C) e le
sue particelle avevano una velocità di circa 2 Km/s, ma dopo la contrazione
raggiunge i 50000 K e le particelle viaggiano attorno ai 40 Km/s. continuando a
contrarsi la protostella raggiunge nel suo nucleo 150000 K. Le protostelle sono
oggetti difficili da osservare poiché anche se irradiano una grandissima
quantità di energia la loro temperatura è ancora molto bassa. Continuando a
contrarsi la protostella raggiunge dopo 27 milioni di anni uno stato di
stabilità che consiste in una temperatura di circa 10.106K.
Da protostella a stella
Ora la protostella è diventata una vera e propria
stella poiché a queste temperature la velocità dei nuclei di deuterio (i
deutoni), è tale per cui vincendo la repulsione elettrica della loro carica
positiva, essi si avvicinano saldandosi fra loro formando nuclei elio. Ha così
inizio una serie di reazioni termonucleari di sintesi in cui si produce
energia, parte della quale viene irradiata sotto forma di flusso di fotoni. La
pressione del gas è sufficientemente grande da poter controbilanciare la forza
gravitazionale, quindi il gas smette di contrarsi. Le stelle rimangono stabili
fino a quando il calore generato dalle reazioni nucleari controbilancia
l'attrazione gravitazionale (circa per 10 milioni di anni).
Da gigante rossa a nana nera
La temperatura superficiale è
piuttosto elevata ma, ciò nonostante, la stella è già 100 volte meno luminosa
di quel che è oggi il Sole ed è definitivamente avviata verso la fine. Ora la
radiazione emessa dalle parti centrali della stella escono quasi indisturbate
perché la stella è composta da soli nuclei ed elettroni e non da atomi (a causa
della compressione) che assorbono l’energia interna. Col tempo il raggio
diventerà ancora un po’ più piccolo e verrà irradiato il restante di energia.
La temperatura va lentamente diminuendo e i colore
passa dal bianco a giallo e gradatamente al rosso, al rosso fino alla scomparsa della stella. Il tempo
necessario per il compimento di questa fase può essere molto lungo, perché man
mano che la temperatura diminuisce, diminuisce anche l’irraggiamento. Ad un
certo punto abbiamo la solidificazione del nucleo e la nana bianca si
raffredda: la stella è giunta alla sua fine in un miliardo di anni dalla sua
nascita. Ora è soltanto un oscuro relitto che vaga nello spazio: è una nana
nera Questa probabilmente, tra circa 5 miliardi di anni, sarà anche la fine del
Sole.
La gigante blu
Le stelle di grande massa si consumano più rapidamente di quelle di massa piccola, quindi la loro esistenza è più breve. Il loro combustibile nucleare si consuma velocemente perché la temperatura di queste stelle, a causa della grande massa, è molto elevata quindi le reazioni termonucleari sono più rapide. Queste stelle prendono il nome di giganti blu. Le giganti blu sono delle stelle di notevoli dimensioni, di grande massa e di alta temperatura. Si consumano alla svelta passando per stadi evolutivi analoghi a quelli delle stelle con massa minore. Ma quando arrivano alla configurazione del nucleo inerte di carbonio, avvolto dagli inviluppi di elio che producono nuovo carbonio, la pressione esercitata dalla grande massa che avvolge il nucleo causa (a differenza di quanto accade in una stella di massa minore) un aumento della temperatura (600.106 K) interna e quindi l’innesco delle reazioni nucleari del carbonio che danno origine al magnesio che portano alla costruzione di elementi sempre più pesanti, arrivando fino alla formazione di atomi di ferro. Con il ferro abbiamo la fine delle reazioni nucleari perché il ferro non è un combustibile nucleare. Ciò vuol dire che per la stella inizia una nuova fase di contrazione che la porta ad una densità di 1012-1014 g/cm3, a pressioni di 1026 atmosfere e a temperature di 1010 K. Finché i nuclei vengono praticamente a contatto e non vi possono essere più contrazioni. Allora, d’un tratto, avviene l’esplosione della stella, che almeno per metà, vola nello spazio. Questa fase dura pochi minuti e la stella è una supernovae.
Le supernovae
Durante l’esplosione la
luminosità della stella aumenta miliardi di volte e nei brevi istanti
dell’esplosione le temperature raggiunte sono tali che molti nuclei vengono
frantumati con la liberazione di neutroni e di protoni che, insieme con altri
nuclei, formano tutti gli elementi pesanti che conosciamo fino all’uranio. Dopo
l’esplosione, della stella di grande massa, rimane solamente il nucleo
fortemente compresso. Sembra che in media esplodano circa tre Supernovae l'anno
in ogni galassia. Le ultime esplosioni di Supernovae nella nostra galassia
osservate dalla Terra sono avvenute nel 1054, nel 1572 e nel 1604.
Le pulsar

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Se
la massa della stella è superiore a circa 1,4 masse solari si verifica un
fenomeno chiamato collasso gravitazionale dove la contrazione arriva ad uno
stadio che produce densità tali da far sì che gli elettroni penetrino nei
nuclei. Non essendoci più le forze di espansione, la forza gravitazionale, non
è più controbilanciata, fa aumentare la pressione interna della stella. Anche
se la forza elettromagnetica degli atomi è circa 1039 volte più
intensa della forza gravitazionale, bisogna considerare che la forza
elettromagnetica di un solo atomo deve controbilanciare quella gravitazionale
di tutti gli altri atomi quindi la contrazione è inevitabile.
Il
volume della stella si riduce di circa 100.000 volte poiché gli elettroni degli
atomi, che ruotano dal nucleo dell’atomo ad un distanza 100.000 volte maggiore rispetto
la dimensione del nucleo stesso, si trovano costretti a cadere sul nucleo,
poiché gli elettroni possiedono carica negativa si uniscono ai protoni che
hanno carica positiva, formando altri neutroni che hanno carica neutra. Hanno
quindi origine le stelle di neutroni. Le stelle di neutroni sono individuabili
grazie ai radiotelescopi, visto che avendo un diametro 100.000 volte minore
rispetto a quello iniziale, la loro frequenza, per il principio della
conservazione del momento della quantità di moto, è circa 1010 volte
più grande rispetto a quella della stella primitiva (lo sanno tutte le
ballerine e i pattinatori che, se mentre si ruota su sé stessi si stringono le
braccia e le gambe, la velocità di rotazione aumenta notevolmente). Le prime
Pulsar (abbreviativo di pulsatig star, è stato dato questo nome perché queste
stelle emettono radioonde in modo intermittente con una frequenza di circa
1,33s ) sono state localizzate nel 1960 ed ora se ne conoscono un centinaio
nella nostra galassia.
I buchi neri
Una
stella di massa superiore a 3,5 masse solari non potrà mai raggiungere una
configurazione di equilibrio. La stella non è in grado di sostenersi e non lo è
mai per quanto piccola diventi. La contrazione, pertanto, deve procedere fino a
che la stella diventa infinitamente piccola e infinitamente densa. Un po’ prima
di raggiungere questa configurazione limite, la stella viene ad avere la così
dette condizioni definite dal così detto raggio di Schwarzschild. Se il Sole
potrebbe contrarsi fino a questo punto, avrebbe un raggio di 3 Km e una densità
pari a 2,5.1016 g/cm3. Raggiunto il limite di
Schwarzchild la stella diviene quello che è stato chiamato un buco nero, un
oggetto dal quale non può uscire niente, nemmeno la luce, e nel quale può
sparire tutto. Per capire questo concetto dobbiamo ammettere che non ci sia
alcun processo capace di fermare la caduta verso il centro delle particelle che
costituiscono la stella di massa superiore di 3,2 masse solari. Se così è, è
chiaro che la forza di gravità agente alla superficie della stella che si
contrae aumenta indefinitamente perché, mentre la massa rimane costante,
diminuisce la distanza della superficie dal centro. Contemporaneamente, aumenta
la così detta velocità di fuga, cioè la velocità che si dovrebbe imprimere ad
un corpo (lanciato verticalmente) perché questo, senza bisogno di ulteriori
spinte, riesca a sfuggire al campo gravitazionale (con velocità minori, prima o
poi ricadrebbe).Prima o poi la velocità di fuga diventa uguale a quella della
luce. Subito dopo questo limite (raggio di Schwarzschild), la velocità di fuga
richiesta è maggiore di quella della luce, e pertanto, nemmeno la luce può
sfuggire al campo gravitazionale della stella. L’esistenza dei buchi neri non è
certa poiché, essendo neri, non sono osservabili ma questa sembra essere la
fine più probabile di queste grandi stelle. Si può dimostrare l’esistenza di
corpi invisibili nello spazio osservando il movimento anomalo di certe stelle
che senza dubbio è influenzato da un’enorme massa vicina. Altre dimostrazioni
possono essere date dalla teoria della relatività di Einstein. L’esistenza di
questi corpi è quindi quasi certa.