Ei fu. Siccome immobile, dato il mortal sospiro

• 6 aprile 2019

E’ certo che Alessandro Manzoni non pensava all’ultima ora di una stella quando compose Il Cinque Maggio, ma ci piace questa citazione per un breve approfondimento sulle Supernove: un fenomeno astronomico di enorme fascino che sancisce la fine di un astro e lancia i semi per la formazione di una successiva generazione stellare.

Non tutte le stelle esauriscono lentamente il loro combustibile nucleare in decine (o anche centinaia) di miliardi di anni: quelle massicce (ovvero con una massa superiore a circa otto volte il Sole) evolvono molto più rapidamente e terminano la loro vita con immani esplosioni che a volte superano la luminosità dell’intera galassia ospitante. L’energia rilasciata durante l’esplosione è così intensa che raggiunge un valore di 10^46 J, ovvero cento volte maggiore a quella prodotta dal Sole in 10 miliardi di anni. Un pianeta abitabile che si trovasse nei paraggi sarebbe sterilizzato in maniera istantaneo: infatti si associa almeno un’estinzione di massa sulla Terra a una esplosione di Supernova non oltre una distanza di 30 ÷ 50 anni luce

In questo approfondimento (link), abbiamo visto che una stella come il Sole converte in energia una massa pari a 4.2 milioni di tonnellate d’Idrogeno al secondo: questa è la differenza di massa della reazione di fusione p-p. Ciò implica, ogni secondo, un consumo di 598 milioni di tonnellate d’Idrogeno e la creazione di poco meno di 594 milioni di tonnellate di elio!

Nel corso degli eoni, il centro del Sole (in generale di ogni stella) si arricchirà di Elio: quando l’idrogeno scarseggerà (si stima fra circa 4 miliardi di anni), il nucleo verrà compresso ulteriormente con un aumento della temperatura e della pressione fino ad un valore che permetterà di innescare la fusione nucleare dell’Elio, mentre la fusione dell’Idrogeno continuerà in uno strato esterno al nucleo di Elio. La fusione di tre nuclei di Elio da origine a un nucleo di Carbonio e quando si esaurisce, il nucleo si contrae di nuovo, aumentando temperatura e pressione e inizia la fusione anche del Carbonio, mentre quella dell’Elio si innesca in uno stadio più esterno. La fusione termonucleare continua con stadi successivi alimentati da Carbonio, Neon, Ossigeno, Magnesio e Silicio mentre gli stadi di fusione precedenti si posizionano in strati concentrici attorno al nucleo.



In una stella massiccia tipo O, di venticinque masse solari l’aumento vertiginoso delle condizioni fisiche accelera la cinetica delle reazioni nucleari: laddove la temperatura aumenta di due ordini di grandezza (da 10 milioni a 2 miliardi di gradi) e la densità all’interno della stella sale di sette ordini di grandezza (da 10 g fino a 100 t per cm3), i tempi in gioco diventano incredibilmente veloci, passando dai miliardi di anni necessari alla stella per consumare l’Idrogeno ai pochi giorni in cui tutto il Silicio del nucleo diventa Ferro!



Lo stadio finale di una stella massiccia inizia quando si esaurisce il ciclo del Silicio: infatti la sua fusione produce in massima parte Ferro che è l’elemento chimico con la maggiore energia di legame nucleare. In altre parole, la fusione di due nuclei di Ferro non genera un rilascio di energia ma ne consuma; quindi, dopo la fusione del Silicio, la stella perde la sua fonte energetica che compensa la pressione gravitazionale e il suo nucleo collassa. Un immane flusso di neutrini viene rilasciato verso l’esterno che cedono energia agli strati esterni i quali, avanzando verso l’interno, innescano un’esplosione di Supernova: quando il fronte d’onda raggiunge la superficie della stella, diverse ore dopo, la luminosità aumenta esponenzialmente. Per questo motivo, la rivelazione di un flusso neutrinico può essere segnale di un’esplosione di Supernova: famosa all’uopo, fu la SN 1987A localizzata nella Grande Nube di Magellano a circa 168'000 anni luce di distanza e scoperta nel febbraio 1987: circa 3 h prima che la luce visibile raggiungesse la Terra alcuni dei milioni di miliardi di neutrini provenienti dalla stella furono catturati da diversi rivelatori neutrinici, confermando la bontà dei modelli teorici di supernova da collasso gravitazionale (dette anche SN di Tipo Ib, Ic e II).

Esistono in natura anche Supernove termonucleari (dette anche SN di tipo Ia): nei sistemi binari una stella può trasferire materia a una nana bianca compagna, che esplode quando raggiunge una certa massa critica (limite di Chandrasekhar, che equivale a 1.44 masse solari). La luminosità di questi eventi e quasi invariabile e perciò tali Supernove sono utilizzate come candele standard per le misurazioni delle distanze galattiche

Il big bang produsse solo Idrogeno (75%), Elio (24%) e tracce di Litio: essi formarono il materiale delle prime stelle. Durante il loro processo evolutivo, negli strati interni, i nuclei più pesanti sono stati creati dalla fusione nucleare tramite la nucleo-sintesi stellare, come in un oscuro laboratorio di alchimia medioevale. Quando le stelle di bassa massa (come il Sole) espellono i loro strati esterni alla fine della vita, o quando le stelle massicce diventano Supernove gravitazionali, eiettano nel mezzo interstellare gli elementi presenti in essi, principalmente Idrogeno Elio e altri come Carbonio, Ossigeno, Azoto, Silicio, Neon, Magnesio, Zolfo ma anche elementi ancora più pesanti: infatti l’abbondanza di energia messa a disposizione durante l’esplosione, permette la formazione degli elementi ad alto numero atomico  come il Cobalto, Zinco, Selenio, Argento, Oro, Platino, Uranio…che vanno pertanto ad arricchire il materiale interstellare. La tavola periodica degli elementi si completa nelle stelle.



La ricetta per fare un uomo è assai semplice: basta prendere 45 kg di Ossigeno, 13 kg di Carbonio, 7 kg d’Idrogeno, 2 kg di Azoto 1 kg di Calcio, qualche etto di Zolfo, Potassio, Sodio, pochi grammi di Ferro, Magnesio, Fluoro, Zinco e tracce di altri elementi pesanti. Tutti questi atomi (a parte l’Idrogeno) sono stati prodotti all’interno delle stelle progenitrici del Sole (che è una stella di Popolazione I): in un remoto angolo della via Lattea, circa cinque miliardi di anni fa una stella massiccia (si stima di Popolazione II, a sua volta formatasi dalle ceneri di una stella di Popolazione III) esplose ed arricchì il mezzo interstellare di atomi pesanti. Il collasso gravitazionale di una nube molecolare, indotto da questa esplosione, innescò una serie di processi culminati con la formazione di una protostella con numerosi proto-pianeti, i quali, nel corso di centinaia di milioni di anni, formarono il Sole e i pianeti del nostro sistema.

4’567 milioni di anni dopo, eccoci qua a raccontare come andò, o, meglio, a narrare ciò che riteniamo possa essere successo a quel tempo; le prove che corroborano questo scenario si trovano in terra (nel sottosuolo le sostanze radioattive a lunga emivita provengono dalla Supernova iniziale: Potassio-40, Torio-232, Uranio-238, Uranio-235,..) e in cielo (4’000 esopianeti scoperti ad oggi, Marzo 2019, attorno a 2’990 stelle che si trovano in diverse fasi evolutive)!



Rispondere alla semplice domanda “Quanti anni hai?” perciò non è più un semplice computo delle rivoluzioni attorno al Sole: i nostri atomi ci raccontano una storia che si perde nella notte dei tempi, facendosi sentire un poco immortali.

La comunità scientifica è oggi pronta a rivelare una Supernova galattica: i rivelatori di neutrini ci diranno in anticipo dove puntare le nostre ottiche per studiare il fenomeno in ogni lunghezza d’onda. I media impazziranno perché per qualche mese avremo due Soli nel cielo e lo spettacolo celeste sarà sublime. Sebbene i modelli prevedano fino a tre Supernove galattiche al secolo, l’ultima esplosione osservata in diretta nel cielo avvenne nel 1604 (Supernova di Keplero); in realtà la stella esplose 20’000 anni fa e rimase visibile per diciotto mesi nell’Ofiuco con una luminosità massima pari a magnitudine -2.5 (pertanto non osservabile di giorno). Nell’ultimo millennio ne abbiamo contate sette: la più famosa M1 nel Toro del 1054 (vedi questo articolo: link) e quella nel Lupo antecedente di 38 anni visibile per ben due anni anche di giorno per qualche periodo.

Da un punto di vista statistico siamo in ritardo: l’ultima sembra sia avvenuta nel 1870, ma non fu notata da alcun osservatore in quanto avvenne nel Sagittario a 25’000 anni luce di distanza e quindi in prossimità del centro galattico in una zona piena di polveri: solo 10 anni orsono, osservazioni dettagliati in banda X e radio hanno confermato l’evento.

Alcune stelle massicce della Via Lattea sono le candidate per la prossima Supernova galattica; fra di esse spiccano Betelgeuse in Orione, Spica nella Vergine e Antares nello Scorpione. Situate rispettivamente a 498, 250 e 554 anni luce di distanza, non destano preoccupazioni per la biosfera della Terra. È rassicurante pensare che vicino a noi vi sono ben poche stelle che minacciano di terminare nel prossimo miliardo di anni la loro vita in maniera catastrofica. I potenziali progenitori noti sono ben più lontani della distanza critica di 30 anni luce, infatti a 150 anni luce da noi c’è un sistema binario (IK Pegasi) al limite della visibilità ad occhio nudo (magnitudo 6), composto da una stella bianca in sequenza principale e da una nana bianca che, in un futuro lontano potranno dare origine a una Supernova di tipo I.

Altre informazioni sulle Supernove si trovano nel nostro sito a questi link:

NGC 2146, NGC 6946, NGC 51, il resto di Supernova del Velo del Cigno, NGC 337, M 95, la maestosa Supernova del 2011 nella galassia girandola M 101,



Recentemente in Osservatorio abbiamo fotografato alcune Supernove extragalattiche provenienti da un lontano passato:
- Il 16 Gennaio 2019 la SN2019np di tipo Ia situata nella galassia NGC3254 avvenne oltre 94 milioni di anni fa.
- Il 21 Gennaio 2019 la SN2018hna di tipo II nella galassia UGC7534 e la AT2019uo di tipo Ib nella galassia UGC7020: situate nell’Orsa Maggiore l’evento avvennero oltre 41 milioni e 270 milioni di anni fa rispettivamente.
- Il 14 Febbraio 2019 la AT2019abn nella galassia M51: situata nei cani da caccia esplose circa 31 milioni di anni fa.

I fotoni raccolti dai nostri strumenti, emessi in quei tempi antichi, si sono dati appuntamento all’Osservatorio imprimendo le loro tracce in queste fantastiche immagini.  

Fu vera gloria? Ai posteri l’ardua sentenza…si chiedeva Manzoni. Queste lontane esplosioni avvenute in angoli remoti dell’universo porteranno alla nascita di nuove stelle attorno a cui orbiteranno pianeti su cui forse si potranno stabilire le giuste condizioni fisiche/chimiche affinché si sviluppi la vita?

Dovremo aspettare miliardi di anni per avere questa risposta, ma il cosmo pullula di stelle e pianeti sulla cui origine la comunità scientifica è d’accordo: sono tutti figli generati dalle precedenti famiglie stellari in una continua danza della vita. Tutte le stelle che osserviamo nel cielo sono come l’Araba Fenice, un uccello mitologico che rinasce dalle proprie ceneri dopo la morte!