“Siamo polvere di stelle” 5/5_3dt – Evoluzione stellare: morte e trasformazione

È in corso la migrazione dei post dal precedente blog; per vedere i post non ancora migrati visita la Presentazione. Grazie.

5/5_3dt – death and transformation: le stelle più massicce fanno tutto in grande e danno spettacolo, vivono intensamente ma durano “poco” e muoiono lasciando di stucco!

Buco Nero Supermassiccio (Smbh) al centro della galassia Messier M87 in luce polarizzata, credit Collaborazione EHT Event Horizon Telescope (ne parlo più avanti) ingrandisci, enlarge

Cosa trovi in questo post 3dt?

L’Indice di riferimento, per avere un’idea di cosa propone il post, con 2 modalità:
A) puoi proseguire e gustarti la storia tutta d’un fiato
B) puoi cliccare sui singoli capitoli che ti interessano ed essere fiondato direttamente lì senza sforzo alcuno; a questo punto puoi continuare a leggere oppure cliccare sul richiamo all’indice “Ti sei perso?” (che trovi appena sopra ad ogni capitolo) e tornare immediatamente qui per scegliere un altro capitolo, a tuo totale piacimento, sentiti libero di giocare…

1. Quanto vivono invece stelle più grandi del Sole?
(“Se Mi è tra 4 MS – 8 MS c’è ancora possibilità di Nane Bianche” / “Fino a 8 MS la stella può ancora andare in pensionamento come “Nebulosa Planetaria” )
2. Stadio: Supergigante Rossa Mi > 4 MS
(“Reazioni a catena Core-Shell”)

TERZO SCOGLIO 8 MASSE SOLARI – SUPERGIGANTE SG
3. Stadio: Supergigante Mi > 8 MS
(“Curiosità: Supergiganti Rosse, Gialle, Blu?”)
4. Stadio: Super / Ipergiganti Mi > 10 MS (fino a 200 MS)
(“Per curiosità, come avviene il trasporto di energia dentro una stella? È uguale per tutte?”)
5. Quindi, ricapitolando
(“Sezione di una Cipolla speciale” / “Dall’esterno all’interno e viceversa” / “Come fa un tale insieme di strati a non collassare prima?” / “E gli elementi più pesanti del Ferro?”)
6. A Ferro e Fuoco !
(“Il Ferro non brucia” / “Ferro-56, caratteristiche” / “Che cos’è la “cattura di neutroni”?” / “Processo “URCA” )
7. Bene, desideri gli EFFETTI SPECIALI? Allora, che succede? Torna la Danza Fusione-Gravità!
8. Quando il nucleo raggiunge 1,44 volte masse solari COLLASSA
9. SUPERNOVA SN II

(- Tra le esplosioni più potenti dell’Universo – Il più efficiente meccanismo di arricchimento chimico delle galassie / “Non ci posso credere! Vuoi conoscere la verità sì o no?!“ / “Supernova: uno degli eventi che favoriscono la nascita di nuove stelle” / “Più da vicino, cosa si vede? Ti presento la Nebulosa da Resto di Supernova – SNR” / “Per curiosità, quante se ne scoprono ogni anno?” / “A proposito, l’esplosione è asimmetrica!”)
10. Quindi la stella non c’è più? Cosa “resta” della stella originaria?
SUPERNOVAE Super-compattatrici cosmiche! Resto di Supernova -SNR
11. Caso A) “STELLA di NEUTRONI se Mi = 8 – 25 MS e Mresiduo tra 1,44 e 3,12 MS
(“… e fu subito… PICCOLA!” / “Ma com’è possibile un tale collasso?!” / “Stella di neutroni: ultra-compattezza da record – “super mignon e super densa” / “Conseguenze di una contrazione così improvvisa e pazzesca?” / “Stella di neutroni: com’è fatta e cosa emette?” / “Sapevi che anche una stella di neutroni possiede un’atmosfera?!”)
12. PULSAR – stella di Neutroni super-rotante (Pulsating Star)
(- I Fari del Cosmo – Gli orologi più precisi dell’Universo / “Pulsar millisecondo: (Millisecond Pulsating Star MPS) – trottole a velocità fenomenali” / “Stella di Neutroni e Pulsar sono la stessa cosa?” / “Una pulsar ruota all’infinito senza mai fermarsi?” / “Se prendo il mio telescopio, come faccio a vederne una?” / “E allora come hanno fatto a scoprirle!?” mi dirai tu, sempre giustamente!”)

13. Caso B) “BUCO NERO se Mi > 25 MS e Mresiduo > 3,12 MS
14. Attenzione: Gamma Ray Bursts – Lampi Gamma
(- Gli eventi più violenti dell’Universo, più dei Quasar – Le esplosioni più luminose dell’Universo – I bazooka con la gittata più lunga)
15. ESTINZIONE di massa? Eeeeeeh! Ma sul serio?
13a. Buco nero: brevissima dinamica di formazione
13b. Buco Nero (Black Hole – BH): premessa
(M87 / Event Horizon Telescope)
13c. Alcuni punti “fermi” per aiutarti a capire meglio e visualizzare un BH
(“esistono; mai visti direttamente; curvatura Spazio-Tempo; invisibilità; sfera buia; simulazione NASA; effetti gravitazionali; velocità di fuga; emissioni; mistero dentro”)

13d. Come è fatto un BH? Per aiutarti a definirlo meglio
(“sfera buia; Orizzonte degli Eventi; confini / fionda gravitazionale; Ergosfera / Disco di Accrescimento; In Teoria…; Singolarità; Tela di ragno”)
13e. Proprietà dei Buchi Neri: sono tutti uguali? Eh NO!
Quanto possono essere “giganti” i Buchi Neri?

13f. 1^ proprietà: la massa
(“Buchi Neri STELLARI SBH” / Buchi Neri di massa INTERMEDIA IMBH” / “Buchi Neri Supermassicci Smbh o Monstre” / “Buchi Neri MICROSCOPICI”)
2^ proprietà: la carica
3^ proprietà: la rotazione o “momento angolare” o “spin”
13g. Densità dei Buchi Neri
13h. Smbh, “monstre” sterilizzante: effetti sull’ambiente circostante
13i. Via Lattea: qualche numero utile
16. QUASAR (QUASi-stellAR radio source)

(- Nuclei galattici attivi BH supermassicci, lontanissimi e luminosissimi – Le più potenti “centrali energetiche” dell’Universo / “Sembrano stelle, ma non lo sono! Hai proprio preso un abbaglio” / “100 miliardi di stelle che brillano nel ridicolo spazio di alcuni Sistemi Solari” / “Cosa può provocare tutta questa assurda produzione di energia?” / “Non c’è scampo! Inutile fuggire o nascondersi…”)
15bis. ESTINZIONE di massa, ricordi?!
17. BLAZAR (Blazing quasi-stellar object)
(- tra i fenomeni più energetici, luminosi e violenti dell’Universo / “Se prendo il mio telescopio, riesco a vederne uno?”)
18. WR in COLLAPSAR!
19. Conclusione … è solo l’inizio!
Link della serie, Crediti e link utili

Eccoci alla 3^ tappa:
qui, per raggiungere lo scopo, occorre sfruttare tutti i telescopi più potenti e famosi del mondo, scandagliando il Cosmo profondo in ogni lunghezza d’onda (radio, IR, ottico, UV, X, gamma) e facendolo singolarmente e/o lavorando sincronizzati/integrati in rete (array), ma restando a distanza di sicurezza per vedere i Fuochi d’artificio cosmici !

foto di sfondo XDF di Hubble, con collage degli Osservatori Astronomici ALMA, parte del “Distretto astronomico” di Mauna Kea, VLT e JCMT, Hubble e Chandracrediti vari nelle note a fondo post ingrandisci, enlarge

Sicuro di sentirtela ad andare avanti? Guarda che poi non si torna più indietro… scegli quindi la pillola giusta, la blu per lasciar perdere, la rossa per tuffarti nell’infinito!

“Matrix”

Attenzione: se non ricordi più simboli e numeri atomici degli elementi che qui sono presentati, tieni aperti i post 2/5 (“elementi nel corpo umano”) e 4/5_PTE (“Tavola Periodica degli Elementi”)

1. Quanto vivono invece stelle più grandi del Sole?

Proseguendo con l’Evoluzione stellare di stelle più massicce del Sole, ti ricordo subito, per comodità, la tempistica che avevo dato sui dei tempi di vita:

una stella rimane nella sequenza principale del diagramma H-R per un tempo che è inversamente proporzionale alla sua massa

  • piccola 0,5 masse solari = 200 miliardi di anni
  • Sole 1 M = 10 miliardi di anni
  • più massiccia del Sole 3 masse solari = 500 milioni di anni
  • supermassiccia 20 masse solari = 3 milioni di anni

Le stelle massicce e supermassicce possono vivere anche “solo” una decina di milioni di anni (tempi “cosmici”, ricorda sempre)!

Di conseguenza, le altre fusioni che seguono ora sono sempre più violente, potenti e veloci! In effetti anche i tempi cosmici, nelle fasi finali a partire dal Neon in poi, collassano in tempi su scala umana!

Se Mi è tra 4 MS – 8 MS
c’è ancora possibilità di Nane Bianche

La situazione dell’evoluzione stellare è in realtà più complessa perché, salvo alcuni limiti precisi di massa che sono rigorosi, come ad esempio:
– 1,44 MS è il limite di Chandrasekhar (per le Nane Bianche)
– 3,12 M
S è il limite Tollman-Oppenheimer-Volkoff
(per le Stelle di Neutroni – altri dicono 3,8…)

l’evoluzione in Nana Bianca oppure il proseguimento verso il nucleo di Ferro e un destino molto più violento dipende anche da altri fattori, quali ad esempio la perdita di massa durante la fase di Gigante Rossa.
Infatti, se normalmente fino alle 4 MS la stella inevitabilmente evolverà verso Nana Bianca, è anche possibile che segua lo stesso “tranquillo” destino anche una stella con massa che arriva fino alle 8 MS, poiché nella fase di Gigante Rossa ha perso sufficiente massa da rientrare nel limite per le Nane Bianche.

Fino a 8 MS la stella può ancora andare in pensionamento come “Nebulosa Planetaria

  • sotto le 4 MS non si innesca la fusione del carbonio C, quindi la Gigante Rossa evolve in Nana Bianca e Nebulosa Planetaria
  • fino alle 8-9 MS le stelle possono ancora terminare il ciclo come Nane Bianche, perché durante la fase di Gigante Rossa perdono molta massa
  • Sopra le 8 MS (con un margine di +/- 2) si ha la Supergigante rossa
  • a partire dalle 8 MS possono innescarsi tutti gli altri elementi fino al Fe
Osservatorio di Arcetri, “Evoluzione Post-Sequenza, Le perdite di massa e la composizione chimica alterano i dettagli delle tracce evolutive” – riassunto, sotto le 0,4 MS per le nane rosse il bruciamento dell’He non si innesca mai; sotto le 4 MS l’evoluzione in Gigante rossa nebulosa planetaria e Nana bianca (linea verde); oltre le 8 MS fase di Supergigante con fusione di elementi pesanti e formazione nucleo di Fe (linea rossa); tra 4 e 8 MS la stella può ancora evolvere in Nana biancaingrandisci, enlarge

2. Stadio:
Supergigante Rossa
Mi > 4 MS

Massa iniziale: superiore a 4 MS
Stadio: Supergigante Rossa
Arco di tempo per esaurire il Carbonio: cosmicamente molto veloce, 100 anni
Arco di tempo per accendere il Neon Ne: cosmicamente veloce, 3-4.000 anni
Temperatura raggiunta:

600 milioni di gradi (6×108)

Tipo di Fusione: Carbonio 6C in
8O 10Ne 12Mg 11Na e 9F (in Core/nel nucleo) ed Elio 2He (in shell)

Nel nucleo fonde il Carbonio e produce Ossigeno, Neon, Magnesio, Sodio e Fluoro.

Reazione di fusione nucleare che avviene nelle stelle massicce (almeno 4 volte la massa del Sole alla nascita) quando hanno esaurito tutti gli elementi più leggeri nel loro nucleo. Richiede elevate temperature.

Quando l’Elio 2He del nucleo si esaurisce, cessa la produzione di energia che compensa la forza attrattiva gravitazionale e il nucleo collassa (danza fusione/gravità), aumentando così bruscamente temperatura e densità fino a raggiungere il punto di accensione del Carbonio 6C.

Reazioni a catena
Core-Shell-Shell

Ciò provoca un ulteriore aumento della temperatura del nucleo (core) che coinvolge anche gli strati attorno (shell/inviluppi), nei quali possono accendersi le reazioni di fusione dell’2He che si trova ancora in questi strati.

La stella aumenta le sue dimensioni e diventa una Supergigante rossa. Esaurito anche il 6C in tempi cosmicamente brevissimi (100 anni), serve “appena” qualche migliaio di anni per provocare un nuovo processo di contrazione che riscalda il nucleo fino al punto di accensione del Neon 10Ne (sempre Danza Fusione-Gravità ricordi, nel post precedente?).

Ps: a te sembreranno tempi lunghissimi se confrontati con la scala dei tempi umani, ma se li consideri nella scala corretta, quella dei tempi cosmici (milioni e miliardi di anni), capisci che questi stadi stanno letteralmente “bruciando” le tappe

Ti sei perso? Non preoccuparti, Ti trovi qui – oppure torna subito all’Indice

Ecco il terzo scoglio nell’evoluzione stellare!

Non ricordi più i primi due scogli?
No problem, torna al primo e al secondo post e utilizza il pratico indice!

Mi > 8 masse solari
la situazione si fa burrascosa e complessa

Come stai per leggere, le stelle ancora più massicce (almeno 8 volte) hanno una vita molto più breve (dicevo anche solo una decina di milioni di anni) ed anche più violenta. Raggiunta in fretta la fase di Supergigante Rossa, la loro massa è tale da:
– mantenere una temperatura elevatissima nel nucleo (oltre il miliardo di gradi)
– riuscire a trasformare gli elementi fino al Ferro 26Fe !

credit Associazione Astronomica del Rubicone
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3. Stadio:
Supergigante
Mi > 8 MS

Massa iniziale: superiore a 8 MS
Stadio: Supergigante
Arco di tempo:
cosmicamente istantaneo, 1 anno
Temperatura raggiunta nel nucleo:

1.2 miliardi di gradi (109)

Tipo di Fusione: Neon 10Ne (in Core) in 8O 12Mg

Nel nucleo fonde Neon e produce Ossigeno e Magnesio.

È un insieme di reazioni di fusione nucleare basate sul Neon 10Ne che avviene in stelle almeno 8 volte più massicce del Sole. La fusione del Neon avviene dopo che il processo di fusione del Carbonio 6C ha consumato tutto il 6C nel nucleo creando un nuovo nucleo di Ossigeno – Neon – Magnesio 8O 10Ne 12Mg.

3. Stadio:
Supergigante
Mi > 8 MS

Massa iniziale: superiore a 8 MS
Stadio: Supergigante
Arco di tempo:
cosmicamente istantaneo, 1/2 anno
Temperatura raggiunta nel nucleo:

1,5 miliardi di gradi (109)

Tipo di Fusione: Ossigeno 8O (in Core) in
15P 12Mg 14Si

Nel nucleo fonde Ossigeno e produce Fosforo, Magnesio e Silicio.

Esaurito il Neon 10Ne, il nucleo si spegne e raffredda nuovamente, dando inizio ad una nuova fase di compressione gravitazionale che aumenta vertiginosamente la densità e la temperatura finché non si innesca l’accensione e la fusione dell’Ossigeno 8O (danza fusione/gravità).

Quella dell’Ossigeno è una reazione di fusione nucleare che avviene in una stella almeno 8 volte più massiccia del Sole, quando questa ha esaurito gli elementi più leggeri nel proprio nucleo.

Curiosità: Supergiganti Rosse, Gialle, Blu?

Quando una Supergigante Rossa (RSG) rallenta le reazioni nucleari, può diventare una Supergigante Blu (BSG – stadio alternativo) in quanto si contrae e contraendosi diminuisce la superficie della fotosfera e quindi l’energia emessa su una superficie più piccola fa aumentare la temperatura superficiale (blu è più caldo di rosso, nello spazio).

Per diventare Supergigante Blu la stella attraversa prima lo stadio di Supergigante Gialla (YSG), con temperatura e dimensioni intermedie.

nell’infografica, andando verso sinistra aumenta la temperatura superficiale

A questo punto, tutte le reazioni seguenti possono avvenire, anche se la più probabile è quella che produce il Silicio 14Si

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4. Stadio:
Super / Ipergiganti
Mi > 10 MS
(fino a 200 MS)

Massa iniziale: superiore a 8 MS
Stadio: Super/Ipergigante
Arco di tempo:
cosmicamente inesistente, 1 giorno!
Temperatura raggiunta nel nucleo:

> 2,7 miliardi di gradi (109)

Tipo di Fusione: Silicio 14Si (in Core) in
16S 17Cl 18Ar 28Ni 27Co e 26Fe56
tramite “processo e” (endotermico) – cattura di neutroni

Nel nucleo fonde Silicio Si e produce Zolfo, Cloro, Argon, Nichel, Cobalto e Ferro56.

Il processo di fusione del Silicio è una reazione di fusione nucleare che avviene nelle stelle di massa molto grande, Super ed Ipergiganti. Vengono prodotti gli elementi successivi fino al Ferro-56.

E’ praticamente un flash rispetto alla scala dei tempi cosmici: una stella mediamente brucia il Silicio 14Si accumulato nelle fasi precedenti in 1 solo giorno!

Per curiosità, come avviene il trasporto di energia dentro una stella? È uguale per tutte?

È una domanda interessante e la risposta è NO. In questa utile slide trovi riassunto proprio questo aspetto, ma meglio ricordare le due modalità di trasporto:

  • zona convettiva è quella dove si rimescolano i gas creando un ricircolo di masse
  • zona radiativa (con una sola “t”, mi raccomando, perché se con 2 cambia totalmente significato) è quella che spinge dal centro verso l’esterno
Osservatorio di Arcetri – ingrandisci, enlarge

La comparazione porta quindi a distinguere nei tipi diversi di stelle:

  • stelle piccole (nane rosse) Mi = 0,08-0,2 MS
    sono interamente convettive (ciclo p-p)
  • stelle medio-piccole (come il Sole) Mi = 0,5 – 1 MS
    zona interna radiativa, zona esterna convettiva (ciclo p-p)
  • stelle massicce Mi = 3,5 – 7 MS
    zona interna convettiva, zona esterna radiativa (ciclo CNO)
credit Emma Hunt slideplayer ingrandisci, enlarge
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5. Quindi, ricapitolando…

Queste enormi stelle passano la fase normale della vita (Sequenza principale) trasformando Idrogeno 1H in Elio 2He.

Quando esauriscono la loro riserva di Idrogeno, a differenza delle cugine più piccole (freccia gialla) dispongono comunque delle risorse e dell’energia necessaria alla fusione di altri elementi, quindi si avviano con la fase di Supergigante (freccia blu) verso la fine delle loro vite innescando reazioni sempre più intense, violente e brevi:

  • He in Carbonio C e Ossigeno O
  • C in Ossigeno, Neon, Magnesio, Sodio, Fluoro
  • Ne in Ossigeno e Magnesio
  • poi O in Zolfo Magnesio e Silicio
  • e infine Si in Zolfo, Cloro, Argon, Nichel, Cobalto e Ferro56

Sezione di una Cipolla” speciale

I residui prodotti da ogni serie di reazioni nucleari alimentano la successiva, e così, verso la fine del loro ciclo vitale, il nucleo di questi enormi astri assomiglia alla sezione trasversale di una “cipolla“, all’interno della quale può svolgersi quindi contemporaneamente la nucleosintesi di più elementi.

Shrek che spiega a Ciuchino di essere fatto come una cipolla

Dall’esterno all’interno e viceversa

Uno strato esterno del carburante originario, l’Idrogeno 1H, ingloba altri strati, composti da elementi sempre più pesanti, fino a quando queste enormi stelle non creano un nucleo di Ferro Fe-56.

qui rappresentato è il nucleo stratificato, non l’intera stella, bada bene!

Visto dall’interno, allo stesso modo, il nucleo è circondato da gusci/strati di combustione degli elementi precedenti della serie, i più pesanti al centro e via via più leggeri verso la superficie.

Come fa un tale insieme di strati a non collassare prima?

Il collasso di ciascuno strato è sostanzialmente evitato dal calore e dalla pressione di radiazione dello strato sottostante, dove le reazioni procedono ad un regime più intenso

questo equilibrio di forze è quindi ripetuto per ogni strato

E gli elementi più pesanti del Ferro?


Mamma mia quanto corri! Calma, respira, ci arriviamo per passi, rilassati, non è ancora il momento. Occorre attendere la fine della stella!

“Frankenstein Junior”
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6. “A Ferro e Fuoco !”

Le stelle Supergiganti hanno un nucleo a cipolla… ogni guscio brucia un combustibile diverso e produce energia. Fino a quando si produce il Ferro, non oltre!

Gabriele Ghisellini, Inaf, Osservatorio Astronomico di Brera

“Il Ferro non brucia”

Il combustibile finisce, e in fretta!
Ecco come si presenta la Super-Gigante poco prima della sua esplosione…

… o più realisticamente, così!

slide tratta da una lezione di Astronomia del prof. Alessandro Melchiorri, per stelle con massa > 8 MS
  • He in Carbonio C e Ossigeno O
  • C in Ossigeno, Neon, Magnesio, Sodio, Fluoro
  • Ne in Ossigeno e Magnesio
  • poi O in Zolfo Magnesio e Silicio
  • e infine Si in Zolfo, Cloro, Argon, Nichel, Cobalto e Ferro56

Questo è anche l’ultimo passo nella vita di una stella, in quanto il prodotto finale della nucleosintesi è il Nichel 28Ni-56, risultato della fusione del Silicio 14Si, che viene completata nel giro di pochi giorni. Il Nichel-56 decade rapidamente in Ferro-56.

Ferro-56, caratteristiche

  • è uno degli isotopi più stabili dell’universo
  • la sua fusione richiede energia più di quanta ne rilascia
  • non fornisce energia al sistema
  • non mantiene alta la temperatura al suo interno
  • non sprigiona energia, ma la assorbe
  • il nucleo aumenta senza fondere e alla fine diventa instabile
minerale di Ferro, episodio 2/5

Poiché i nuclei del 26Fe possiedono un’energia di legame nettamente superiore a quella di qualsiasi altro elemento, la loro fusione, anziché essere un processo esotermico (che produce ed emette energia, come è stato finora) è fortemente endotermica (cioè richiede e consuma energia). La fusione non può quindi procedere ulteriormente, se non tramite processi endotermici (quali la “cattura di neutroni”).

Non ti ricordi più cosa vuol dire? Nessun problema, davvero, eccoti qui un istantaneo rinfresco per poter proseguire più sereno il viaggio…

Che cos’è la “cattura di neutroni”?

Si crea una condizione catastrofica: si rompono i nuclei di 26Fe attraverso reazioni di fotodisintegrazione e si formano moltissimi neutroni “n”. Questi neutroni non hanno carica elettrica (se hai seguito il post 4/5-ABC dell’atomo), quindi interagiscono con i nuclei di altro materiale e si formano nuovi elementi più pesanti (visto che la massa atomica A, cioè il “peso” dell’atomo, dipende dal numero di neutroni nel nucleo).

Tavola Periodica degli Elementiingrandisci, enlarge

Processo “URCA” conversione del nucleo centrale della stella in nucleo di soli neutroni

Questo processo, una volta innescato, si autoalimenta: più sottrae energia alla stella più diventa efficiente, non a caso venne denominato “processo Urca” (dal nome di un famoso casinò di Rio de Janeiro in cui i clienti erano sottoposti allo stesso trattamento: più perdevano, più giocavano, più perdevano, più giocavano e così via).

Una volta innescato, quindi, il “processo Urca” può convertire su tempi scala brevissimi (decisamente umani, come ti avevo anticipato) la struttura centrale della stella in un nucleo fatto di soli neutroni!

“Mamma ho perso l’aereo”
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7. Bene, desideri gli EFFETTI SPECIALI?
Qui ce n’è in abbondanza!
Tieniti forte e allacciati le cinture!

Astieniti se debole di cuore! Benvenuto invece se sei impressionabile, questo è il post che fa per te!

Allora, che succede? Torna la Danza Fusione-Gravità!

Il nucleo della stella non può più produrre energia quindi si spegne e si raffredda; la contrazione gravitazionale non è più compensata dalla produzione di energia e il collasso della stella è inevitabile (continua la danza fusione/gravità).

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

Tuttavia la trasformazione del Ferro 26Fe in elementi più pesanti NON è affatto un bene!

  • non mantiene alta la temperatura al suo interno
  • perché non sprigiona energia, anzi al contrario la assorbe (endotermico)
  • perciò il nucleo, anziché collassare, aumenta senza fondere
  • e così alla fine diventa drammaticamente instabile, creando una condizione CATASTROFICA!

Ok ragazzi, ora sì, potete andare in panico!

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8. Quando il nucleo raggiunge una massa pari a 1,44 volte quella del Sole
COLLASSA e il collasso è istantaneo e violento!
(e l’aggettivo “violento” è un eufemismo…)

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

Nel giro di ½ secondo
(ci hai messo di più a leggere)

un nucleo grande come la Terra (diametro circa 12.000 km) viene compresso 1.000 volte in un corpo di diametro di circa 13-14 km !

Durante i pochi secondi del collasso, si vengono a creare condizioni estreme di temperatura e pressione, e in quel momento si ha la formazione di elementi più pesanti del 26Fe.

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

In un istante il nucleo collassante rimbalza con un’onda d’urto enorme, facendo schizzare via gli strati superiori della stella e scatenando una delle esplosioni più potenti mai viste nel cosmo dai tempi del Big Bang!

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera
Supercomputer della NASA

Da decenni gli scienziati stanno provando a riprodurre tramite super-computer una simulazione valida ed efficiente di un evento cataclismico come questo, ma solo in questi ultimi anni grazie ai progressi e alle scoperte tecnologiche e alle intense ricerche ci stanno riuscendo, e di sicuro le variabili e i calcoli in gioco sono assai complessi:
– l’eccezionale onda d’urto del materiale che cade e rimbalza sul nucleo di Ferro
il trasporto di calore tramite neutrini e le interazioni tra neutrini e materia a livello micro
l’instabilità idrodinamica cioè i movimenti disordinati e turbolenti di liquidi, gas e plasma incandescente stile “pentola a pressione”
– l’ingrediente segreto della Turbolenza che alimenta la violenza e caoticità dell’evento
La stella è talmente grande che gli strati esterni neanche si accorgono di ciò che avviene nel nucleo un milione di km più in profondità.

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9. SUPERNOVA SN II
Tra le esplosioni più potenti dell’Universo
Il più efficiente meccanismo di arricchimento chimico delle galassie

La stella, compressa dalla forza di gravità, esplode in modo catastrofico e la violenta onda d’urto espelle violentemente tutto il materiale sovrastante il nucleo nell’Universo circostante, irradiando raggi X, ultravioletti UV e luce visibile. Si produce infatti una delle esplosioni più potenti dell’universo, durante la quale si producono elementi via via più pesanti quali l’Argento 47Ag, il Platino 78Pt, l’Oro 79Au, l’Uranio 92U, il Plutonio 94Pu etc.

Gli strati esterni della stella vengono sparati ad altissima velocità nel mezzo interstellare, superiore ai 10.000 km/s, vale a dire oltre 36 milioni km/h

la rappresentazione tenta di esprimere la spaventosa cataclismicità dell’eventolezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

Non ci posso credere!
Vuoi conoscere la verità sì o no?!

Descrivere l’esplosione come “potente” non rende minimamente merito all’energia che c’è in gioco, qualcosa che noi umani non possiamo davvero immaginare neanche lontanamente, a rischio di perdere la ragione:

Pillola rossa per conoscere la verità, la reale potenza di questi “mostri” cosmici: pillola blu per restare nell’illusione che l’Universo sia un luogo tranquillo e pacifico, come sembra quando guardi la sera il cielo! (Matrix) – elaborazione artistica digitale di Tiziana “Tirtha” Giammetta
  • l’energia rilasciata è l’equivalente dell’energia di 100 stelle come il Sole in 10 miliardi di anni di vita!
  • l’esplosione di Supernova proietta colossali quantità di materia ed energia nello spazio in tutte le direzioni e la stella diventa 1 miliardo di volte più luminosa
  • la materia viene espulsa con tale potenza da viaggiare per anni luce prima di rallentare, mentre la radiazione è capace di viaggiare in tutto l’Universo senza incontrare ostacoli (ed è per questo che possiamo vedere queste terrificanti esplosioni a milioni e miliardi di anni luce di distanza, dalle remote profondità del Cosmo)

Una supernova rilascia, sotto forma di radiazione altamente energetica, tanta energia quanto un’intera galassia come la nostra (100-300 miliardi di stelle) emette IN QUALCHE ORA

Ecco alcune immagini che ti aiutano ad visualizzare, pur da distanze cosmiche, l’inconcepibile potenza di questo evento colossale.

Una Supernova è visibile in cielo come una stella di luminosità enorme che:
– appare velocemente (qualche giorno), insieme alle altre stelle
resta visibile, a volte anche in pieno giorno, per qualche settimane o anche mesi (durata media un centinaio di giorni)
e poi scompare altrettanto velocemente
(qualche giorno)

Tieni quindi ben presente che lesplosione è talmente titanica, apocalittica, colossale, che dura per diverse settimane!

un istante prima tutto sembra tranquillo e un istante dopo compare un punto luminoso che si fa notare anche da distanze cosmiche significative

Un’altra impressionante immagine della Supernova SN1987A, osservata nel 1987, che si calcola espulse una quantità pari a 25.000 volte la massa della Terra di solo Ferro 26Fe. Al culmine, la sua luminosità è stata maggiore di quella della galassia ospite (Gran Nube di Magellano).

credit Anglo-Australian Observatory

Supernova del 1994 SN1994D ai margini della galassia lenticolare ospite NGC 4526, nella costellazione della Vergine. Osserva come la luminosità dell’evento catastrofico in basso a sinistra compete con quella del centro della galassia in primo piano.

SN ai margini della galassia NGC 4526, distante 50 milioni di anni luce, credit NASA / ESA , The Hubble Key Project Team e The High-Z Supernova Search Team – ingrandisci, enlarge

Supernova: uno degli eventi che favoriscono la nascita di nuove stelle

Se ricordi (post 5/5_1ob), nel primo episodio avevo parlato degli eventi che danno il via alla contrazione delle nubi di gas interstellare (le nebulose), che significa l’inizio del ciclo stellare: nell’infografica qui sotto la SN a sinistra e i globuli di Bok che produrranno le protostelle, indicati dalle frecce verdi.

Più da vicino, cosa si vede?
Sempre una Nebulosa, ma niente a che vedere con quella “planetaria” per stelle come il Sole. Ti presento la Nebulosa da Resto di Supernova – SNR

Facendo un potente zoom con il telescopio esattamente nel punto dove è avvenuto l’evento cataclismico, qual è lo spettacolo che ti si presenta?

Gli strati esterni della stella si disperdono nello spazio sottoforma di una nebulosa! Mentre per stelle come il Sole, ricordi, si parla di Nebulosa Planetaria, dove resta una Nana Bianca al centro della Nebulosa e non avviene alcuna mega-esplosione bensì “semplice” espulsione degli strati esterni, qui invece abbiamo un Resto di Supernova (Supernova Remnants) e ciò che resta del nucleo sono oggetti pazzeschi, ai limiti della fisica!

Una delle tantissime possibili comparazioni: a sinistra – Nebulosa Planetaria M 57 ripresa dal telescopio spaziale Hubble – Credit Nasa/Esa/HST; a destra – Resto di Supernova Cassiopea A ripresa dal telescopio spaziale a raggi X Chandra – Credit Nasa/Chandra

Anche se la nostra mente non è assolutamente preparata né attrezzata alla sconfinata vastità racchiusa in questi meravigliosi spettacoli, e tende a ridurre tutto a grandezze umanamente accettabili, sappi che queste incantevoli ma violente nebulose sono costituite da plasma caldissimo che spazza via il mezzo interstellare furiosamente perché esse sono in continuo velocissimo movimento e non statiche, immobili come potresti essere indotto a pensare, erroneamente, vedendole immobili in foto: è l’enorme, indicibile, incomprensibile distanza che ti separa da loro a crearti l’inganno ad hoc!

Il diametro di queste nebulose è di qualche anno luce, significa che ci stanno dentro diverse centinaia di Sistemi Solari
La loro durata nel tempo è di circa 1.000 anni!
Se questa estensione ti dice poco, vuoi dire che sei nel posto giusto, sei pronto ad essere stupito: vai allora a scoprire quanto è spaventosamente vasto un solo, singolo Anno Luce!

La più famosa è la nebulosa del Granchio, originatasi dalla Supernova del 1054 che fu visibile in pieno giorno per 23 giorni, e di notte per quasi 2 anni! Distanza 6.500 anni luce.

credit Hubble, NASAingrandisci, enlarge

Ci sono altri spettacolari, meravigliosi esempi di questo tipo di evento cataclismico (che però purtroppo non posso aggiungere in questo post altrimenti esplode anche lui!). Qui sotto Tycho 1572, a 7.500 anni luce di distanza.

credit Chandra X-ray Observatory ingrandisci, enlarge

Per curiosità, quante se ne scoprono ogni anno?

Vent’anni fa venivano scoperte solo 100 SN all’anno, cioè 2 a settimana, ma ora ho buone notizie per te!

Oggi grazie ai nuovi telescopi che scansionano rapidamente e ripetutamente il cielo notturno, ne scopriamo anche 20.000 all’anno, significa 50 al giorno!

crediti in fondo al post

Per contro, una singola simulazione elaborata tramite Supercomputer può richiedere da qualche settimana fino anche a diversi mesi di preparazione

A proposito, l’esplosione è asimmetrica!

In realtà, come vedrai quando parlerò anche di Lampi Gamma (GRB) oppure di Getti Relativistici nel caso di Buchi Neri, l’ingrediente segreto, la Turbolenza (di cui ho accennato prima a proposito delle simulazioni con supercomputer) provoca un’esplosione asimmetrica per cui la stella che esplode non è una sfera perfetta, bensì assomiglia di più ad una clessidra: mentre l’esplosione si spinge verso l’esterno in una direzione, la materia continua a cadere sul nucleo in un’altra direzione, alimentando ulteriormente l’esplosione della stella.

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10. Quindi la stella non c’è più?
Cosa “resta” della stella originaria?

Fino a qui ci siamo, il ciclo vitale della stella massiccia l’hai seguito.
Che succede ora? Esiste ancora la stella o si è disintegrata?
Cosa resta dopo un tale sconvolgimento cosmico? Come finisce, questo astro così massiccio, la sua esistenza?

Supernova Remnants – SNR

Come? Pensavi fosse tutto qui?
Ah, tranquillo/a, non è mica finita!
Anzi, adesso iniziano i giochi cosmici olimpici!
Ne vedrai delle belle, non è finito proprio un bel niente!

SUPERNOVAE
Super-compattatrici cosmiche!

elaborazione artistica digitale di Tiziana “Tirtha” Giammetta

Ti presento 2 tra gli oggetti astronomici più incredibili ed affascinanti che sicuramente già conosci!

Resto di Supernova -SNR

Dov’era il nucleo, si trova ora un Resto di Supernova (SNR), un residuo ultracompatto del nucleo, che può essere, in base alla Mi della stella massiccia esplosa:

  • una Stella di Neutroni
    (con Mi 8 – 25 MS e Mresiduo tra 1,44 e 3,12 MS)
    oppure
  • un Buco Nero (BH)
    se la stella è sufficientemente massiccia
    (con Mi > 25-30 MS e Mresiduo > 3,12 MS)
ingrandisci, enlarge
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11. Cosa “resta” della stella originaria?
Dipende sempre dalla massa, ricordi?
Caso A)

STELLA di NEUTRONI
se Mi = 8 – 25 MS e
Mresiduo tra 1,44 e 3,12 MS

Rappresentazione artistica di una stella di neutroni, con evidenziate le linee di campo magnetico. Crediti: Casey Reed / Penn State University

Ecco, non ti spaventare, nel sottotitolo qui sopra ho messo quell’ultima riga che magari non capisci, ma te la spiego subito: siamo nella situazione in cui la Massa iniziale (Mi) della stella originale, detta “progenitrice”, era compresa tra le 8 e le 25 Masse solari (MS), e arriviamo ora ad un nucleo di Ferro che per trasformarsi in Stella di Neutroni deve avere una determinata Massa (Mresiduo) che deve essere compreso tra 1,44 a 3,12 MS.

1,44 MS è il limite di Chandrasekhar per le Nane Bianche, mentre 3,12 MS è il limite Tollman-Oppenheimer-Volkoff per le Stelle di Neutroni.

Allora, stavo dicendo che la gravità ha vinto la “degenerazione degli elettroni” combinando (con la “cattura di neutroni” tramite processo “r”) elettroni e con protoni H+, cioè producendo neutroni “n”, fino alla Stella di Neutroni dove il nucleo di Ferro, pur piccolissimo (massa nucleo da 1,44 a 3,12 masse solari), ancora regge il collasso…

“se la stella non è troppo pesante (massiccia), i neutroni riescono a sostenere la gravità”lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

…infatti il nucleo resta intatto, mentre la deflagrazione della SN II irrora l’universo con elementi pesanti (come vedrai però, non tutti gli elementi più pesanti vengono da qui…).

“onda d’urto” – lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

“… e fu subito… PICCOLA!”

Ricordati sempre però, mentre stai leggendo comodamente rilassato questo post, dovunque tu sia, che alcuni processi qui descritti avvengono molto prima che tu possa leggere la parola FINE!

Il nucleo in Ferro, più o meno simile come dimensioni ad una Nana Bianca (10.000 km), collassa in una sfera di 13 km in appena qualche DECIMO DI SECONDO”!

è difficile in un post trasmettere le emozioni che vorrei poter suscitare, ma almeno provo a rallentare e scioccare un attimo la tua lettura curiosa, per tentare di raggiungere il risultato: certi concetti vanno gustati fino in fondo e senza correre!

Stella di Neutroni
se Mi = 8 – 25 MS
e Mresiduo tra 1,44 e 3,12 MS

La stella collassa e la materia si comprime a densità superiori a 100 milioni di tonnellate per cm cubo.

Si dice “Resto” di Supernova proprio perché ciò che “resta” è il residuo ultracompatto che risulta dal collasso del nucleo di una stella massiccia (Mi > 10 MS)

rappresentazione artistica NASA

Nucleo: se la massa è compresa tra 1,44 e 3,12 MS il guscio formato dagli elettroni (pressione degli elettroni degeneri) non è più in grado di controbilanciare l’enorme pressione (gravità e collasso della stella) ed i nuclei atomici si avvicinano fino ad entrare in contatto tra loro, gli elettroni e si fondono ai protoni p+: la stella diviene così una stella di neutroni n.

Ma com’è possibile un tale collasso?!

Aspetta, siccome so bene che non è facile seguire concetti complessi senza un riferimento che dia sostegno, per facilitare la comprensione riporto qui ancora una volta la spiegazione breve di “degenerazione degli elettroni” e “cattura di neutroni”, fidati, vedrai che aiuta.

Normalmente agli elettroni non piace essere compressi, quindi la pressione degli “elettroni degeneri” si oppone alla forza di gravità che vorrebbe schiacciarli.
In questo caso però (nella Stella di Neutroni) la potenza del collasso è davvero troppo grande anche per la degenerazione degli elettroni, poiché per vincere tale resistenza la gravità combina e e H+ producendo “n” (neutroni); quindi si forma un oggetto composto quasi interamente di neutroni, il quale rimpicciolisce ulteriormente… tuttavia ad un certo punto si ferma anche lui, perché neanche i “n” si piacciono, eh già!

Questo nucleo di quasi solo neutroni resta stabile a meno che la massa della stella morente non sia troppo anche per loro (vedrai dopo il caso B).

Come promesso, continuano gli effetti speciali!

Stella di neutroni:
ultra-compattezza da record
“super mignon e super densa”

  • nuclei atomici a contatto
  • il Sole “costretto” in un diametro medio di circa 26 km
  • una portaerei “costretta” in un granello di sabbia
  • il contenuto di un cucchiaino da the peserebbe decine di milioni di tonnellate, praticamente l’intera massa del monte Everest
  • 1 cm cubo della materia di una stella di neutroni sarebbe pari al peso di un cubo di marmo con lato di 416 metri

Un singolo nucleo atomico ingigantito fino alle dimensioni di una città

Collin Capanno, Max Planck Institute for Gravitational Physics

Si tratta di una densità simile a quella dei nuclei atomici, ma estesa per decine di km. In effetti le stelle di neutroni possono essere considerate “nuclei atomici giganti” tenuti insieme dalla forza gravitazionale. Le dimensioni tipiche di una stella di neutroni sono infatti di circa 30 km di diametro, il suo raggio è circa 70.000 volte più piccolo rispetto a quello del Sole!

una stella di neutroni lungo il litorale di Rimini in Emilia Romagna, Italia – credit Associazione Astronomica del Rubicone
una stella di neutroni comparata con il territorio a nord ovest dell’Inghilterra, tra Liverpool e Warrington – credits astronomer and astrophotographer John Brady

Conseguenze di una contrazione così improvvisa e pazzesca?

  • campo gravitazionale estremamente intenso
  • campo magnetico estremamente intenso
  • campo elettrico molto forte di conseguenza
  • rapida rotazione su se stessa

Sappi che una stella o una nube di gas si mettono in rotazione attorno al proprio asse durante una contrazione

La ragione dell’aumento di velocità? In realtà non è così difficile da capire, perché è esattamente come quando i pattinatori artistici, girando su se stessi, restringono la superficie estesa del loro corpo tirando a se le braccia: in questo modo non fanno che aumentare la velocità, l’energia cinetica di rotazione, anche se il processo è detto conservazione del momento angolare. Lo stesso fa la il nucleo della stella passando come dicevo da 10.000 km a 10 km in qualche decimo di secondo!

Stella di neutroni:
com’è fatta e cosa emette?

In realtà la comprensione del suo interno è ancora oggetto di studio ed è materia assai troppo complessa per trovare spazio in un blog dalla vocazione didattico-divulgativa e non tecnica come questo. Ti basti sapere che ha una sottile crosta solida di Ferro che ricopre un interno superfluido di neutroni (risultato di enormi pressioni che hanno provocato la fusione degli elettroni con i protoni+).

sotto credit NASA

Emette radiazione nel visibile, ma anche nelle bande Radio, Ultravioletto UV, X o gamma (con lo stesso periodo degli impulsi radio); inoltre anche particelle esotiche (raggi cosmici, neutrini, gli stessi neutrini che hanno concorso all’evento dell’esplosione di Supernova) e onde gravitazionali, quelle per noi così preziose proprio a partire da questi ultimi anni (ma lo vedrai nel prossimo episodio)!

Sapevi che anche una stella di neutroni possiede un’atmosfera?!

Lo so, sembra davvero ridicolo o assurdo che un oggetto che ha subito un tale trattamento di contrazione e che sta roteando così velocemente, possa pure permettersi il lusso di un’atmosfera, eppure è così: consiste in un sottile strato di plasma (26Fe o 1H o 2He), che determina lo spettro della radiazione elettromagnetica termica emessa dalla stella, da cui si ricavano dati come:

  • temperatura
  • accelerazione di gravità
  • composizione chimica dell’atmosfera
  • di conseguenza informazioni sulla sua struttura interna

La cosa incredibile è che lo spessore di questa atmosfera varia da alcune decine di centimetri per le stelle calde ad alcuni millimetri per quelle fredde (fonte tesi di Laurea specialistica di Salvatore Fiorilla) .

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12. PULSAR – stella di Neutroni super-rotante
(Pulsating Star)
I Fari del Cosmo
Gli orologi più precisi dell’Universo

Le stelle di neutroni ruotano velocemente su se stesse (anche 100 giri in un secondo!) ed emettono 2 potenti fasci di raggi X e onde radio in direzioni opposte.
Se uno dei 2 fasci è diretto verso la Terra, si “vedrà” un lampo ad ogni giro, proprio come se fosse un faro nell’universo, da cui il nome di Pulsar, originariamente intese come Sorgenti Radio Pulsanti (pulsazioni estremamente regolari).

Una pulsar può restare visibile per milioni di anni e fino a migliaia di anni luce di distanza, grazie al forte campo magnetico e alla rotazione incredibile!

utilissima infografica sulle distanze in Unità Astronomiche (sotto la linea verde) e in Anni Luce (indicati dai segmenti rossi sopra) a partire dal Sole fino ai confini della Via Lattea – ingrandisci, enlarge

Pulsar millisecondo:
(Millisecond Pulsating Star MPS)
– trottole a velocità fenomenali

rappresentazione artistica NASA

La velocità di rotazione va da 1 millisecondo (millesimo di secondo, bada!) a 10 millisecondi! Sono visibili nella porzione dello spettro in microonde o nei raggi X.
La pulsar più veloce conosciuta fino ad oggi gira su se stessa 716 volte al secondo, riesci ad immaginarlo?!

Stella di Neutroni e Pulsar sono la stessa cosa?

In realtà NO, cioè entrambe sono stelle di neutroni, certo, il residuo ultra compatto che risulta dal collasso del nucleo di una stella massiccia nella fase di Supernova. Tuttavia la differenza tra i due oggetti è che le stelle di neutroni ruotano, mentre le Pulsar, oltre ad emettere impulsi radio estremamente regolari, sono campionesse di velocità, ruotano freneticamente, potenziando così il campo magnetico.

Una pulsar ruota all’infinito senza mai fermarsi?

No, per quanto la velocità di rotazione sia tanto grande, le radiazioni emesse sottraggono progressivamente energia alla stella che “lentamente” (in senso cosmico) diminuisce, finché non raggiunge una soglia che rappresenta la fine della rotazione frenetica: il periodo passa da una frazione di secondo fino a qualche ora o giorno. A quel punto in effetti diventa un oggetto isolato, lentamente destinato a spegnersi, a meno che… (questo “a meno che” lo scoprirai nel prossimo episodio).

Quando le galassie si incontrano“, Associazione AstronomiAmo

“Se prendo il mio telescopio, come faccio a vederne una?”

Ah … sì … giusto … ehm …

… beh … mi dispiace NON PUOI !

Su, non fare così, non te la prendere! Il problema delle stelle di neutroni è che purtroppo NON emettono luce visibile come le stelle, perciò non sono “visibili” nel senso stretto del termine.

“E allora come hanno fatto a scoprirle!?” mi dirai tu, sempre giustamente!

Il bello della Scienza, l’Astronomia, è che abbiamo a disposizione molti altri strumenti più sofisticati della semplice “vista”. Le scopriamo grazie alle Pulsar e ai loro lampi radio.

Floris, Manuel. (2008). Ricerca di pulsar con la Perseus Arm Multibeam Survey (Research of Pulsar with Perseus Arm Multibeam Survey). 10.13140/2.1.2172.2887

Osserva l’infografica qui sopra: quando l’asse magnetico della stella (rappresentato da quelle due spesse frecce opposte e che non necessariamente coincide con quello di rotazione che in figura è verticale, bada bene) è inclinato rispetto a te che stai guardando (punto Terra), ogni volta che un polo magnetico si trova nella direzione della tua linea di vista (riquadro superiore), osservi un lampo di radiazione e così sai che è lei, la Pulsar, stella di neutroni che ruota a velocità frenetica! Se al contrario non si verifica l’allineamento, non ricevi l’impulso.

Una stella di neutroni ti sembra incredibile? Non hai ancora visto il meglio, fidati!

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13. Cosa “resta” della stella originaria?
Dipende sempre dalla massa, ricordi?

Caso B)
BUCO NERO
se Mi > 25 MS e
Mresiduo > 3,12 MS

rappresentazione artistica NASA

Di nuovo, non ti spaventare, nel sottotitolo qui sopra ho messo quell’ultima riga esattamente come per la Stella di Neutroni, e spiego subito: siamo nella situazione in cui la Massa iniziale (Mi) della stella originale, detta “progenitrice”, era superiore alle 25 Masse solari (MS), e arriviamo ora ad un nucleo di Ferro che per trasformarsi in Buco Nero deve avere una determinata Massa (Mresiduo) che deve essere superiore a 3,12 MS.

1,44 MS è il limite di Chandrasekhar per le Nane Bianche, mentre 3,12 MS è il limite Tollman-Oppenheimer-Volkoff per le Stelle di Neutroni (per altri 3,8).

Se la Stella è più pesante, massiccia, allora la gravità vince TUTTE le resistenze

“Se la stella è più pesante (massiccia) vince tutte le resistenze”lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

… e il nucleo di Ferro (massa del nucleo > 3,12 MS – limite Volkov-Oppenheimer-Tolman) non regge più e collassa all’infinito nell’ormai famosissimo Buco Nero.

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

Attenzione: una nota importante proprio a proposito di QUESTO PRECISO ISTANTE in cui una stella così massiccia sta per collassare in Buco Nero ed esplodere, riguarda un fenomeno degno di nota perché altrettanto potente ed affascinante quanto la Supernova stessa.

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14. Gamma Ray Bursts – Lampi Gamma
Gli eventi più violenti dell’Universo (più dei Quasar)
Le esplosioni più luminose dell’Universo
I bazooka con la gittata più lunga

Un attimo prima che la stella supermassiccia (almeno 30 MS se non oltre!) collassi ed esploda come Supernova, proprio mentre si sta già formando al posto del nucleo un Buco Nero, si verifica un evento esplosivo di durata brevissima che è il più potente dopo il Big Bang: i Lampi Gamma o Gamma Ray Bursts GRB

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

La materia continua a cadere sul Buco Nero neonato. Una piccola parte di essa, invece, viene espulsa con enorme energia. Si formano così 2 getti in direzioni opposte, “getti relativistici”, che “bucano” la stella ancora prima che scoppi.

lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

E’ il motore più efficiente che conosciamo

Quando esce dalla stella, il getto ha una velocità che è prossima a quella della luce (per questo si dice “relativistico”).

  • durano da pochi millisecondi a diverse decine di minuti
  • abbastanza frequenti, circa uno al giorno, tutti i giorni
  • avvengono in direzioni del tutto casuali ed imprevedibili
rappresentazione artistica

L’immagine sottostante, realizzata componendo 3 diverse immagini con filtro ottico e Infrarossi, sembra una qualunque foto astronomica senza particolare lode, ma in realtà qualcosa di particolare ce l’ha: quel debole puntino rosso dista ben 13 miliardi e 140 milioni di anni luce da noi, quindi si trova a soli 500 milioni di anni dal Big Bang. È stata osservata il 29 aprile 2009 dal satellite Swift della Nasa, e poi confermata da telescopi spaziali e terrestri sulle Ande cilene e sul vulcano hawaiano Mauna Kea.

quel puntino rosso non è il lampo gamma (GRB) ma l’afterglow, cioè la debole emissione nei raggi X che ha seguito il lampo: essendo la luce visibile assorbita dall’Idrogeno, il puntino risulta rosso, ma se non fosse assorbita risulterebbe il blu più blu di qualsiasi altro blu nella foto – Credits: NASA / Gemini / Levan, Tanvir, Cucchiara, Fox

3 esempi strabilianti riguardano l’energia di questi Lampi, che equivale, in pochi secondi:

  • a quella di 100 Supernovae
  • a quella del Sole per 3.000 miliardi di anni (anziché la sua vita di circa 14)
  • a quella di tutta la Via Lattea per 100 anni (e la nostra galassia contiene circa 300 miliardi di stelle)

(Fonte: lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera)

credit Kyoto University, T. TOTANI

Ricordi che una singola Supernova rilascia l’energia che 100-300 miliardi di stelle dell’intera Via Lattea emettono in qualche ora?!
Beh, un GRB può addirittura emettere in 10 SECONDI:
quello che il nostro Sole emette in tutta la sua vita (10 miliardi di anni)
oppure quello che l’intera Via Lattea emette in circa 100 anni!

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15. ESTINZIONE di massa?
Eeeeeeh! Ma sul serio?

Ah guarda, c’è poco da ridere! Anzi, ci sarebbe da ringraziare la Terra e la nostra Atmosfera ogni singolo giorno, anziché quotidianamente deturparle e mancar loro di rispetto!

Ma dico, stai leggendo di che razza di potenze catastrofiche sto parlando?! È solo perché ci troviamo in un angolo relativamente pacifico della nostra galassia che possiamo vivere “tranquilli” per modo di dire. Ma se solo uno di questi eventi capitasse entro qualche migliaio di anni luce te ne accorgeresti che l’allerta asteroidi al confronto è l’ultimo dei nostri problemi, o quasi.

rappresentazione artistica fonte Bloke.ie

La minaccia di estinzione può provenire da molto molto molto più lontano e in modo invisibile ed inarrestabile oltreché inesorabile: Supernovae, GRB, Quasar ma anche altri eventi colossali che non ti devi perdere nel prossimo post, come esplosioni sulle superfici di una Magnetar oppure altre esplosioni derivanti da pazzesche fusioni di oggetti astronomici che vedrai…

“Fanno male? Se scoppia una SN o un GRB a meno di 10.000 anni luce da noi…” lo strato dell’ozono verrebbe drammaticamente abbattuto… – lezione a slide Ghisellini Gabriele Inaf-Brera

I GRB sono in grado di provocare un’estinzione di massa da più lontano rispetto alle SN: la radiazione gamma liberata entro 3.300 anni luce dalla Terra sarebbe in grado di distruggere lo strato di ozono nell’atmosfera, così la radiazione ultravioletta del Sole spazzerebbe via quasi tutte le forme di vita esistenti e come effetto secondario produrrebbe biossido di azoto, che schermando la luce visibile sarebbe in grado di provocare una glaciazione (dott. Riccardo Spinelli). Anche per questo vale la pena di ringraziare sempre l’atmosfera della Terra!

Ve l’avevo detto ragazzi che potevate andare in panico!

Calma ora, riprenditi su, niente panico, torniamo al Buco Nero

“La città incantata”, Hayao Miyazaki
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13a. Buco nero:
brevissima dinamica di formazione grazie ad una splendida animazione

fotogrammi estratti dalla video-animazione Black Hole Comparison di Morn1415 che trovi più avanti

Qualsiasi oggetto può diventare un Buco Nero se compresso oltre il “Raggio di Schwarzschild” che equivale a 1,44 MS (in realtà bisogna precisare qualsiasi oggetto con sufficiente massa, perché difatti anche Terra e Sole diventerebbero Buchi Neri se compressi fino a quei diametri, ma non può succedere perché non hanno appunto sufficiente massa).

Dovresti comprimere il Sole fino alle dimensioni di una piccola città… (anche qui bisogna precisare che non è in questo caso l’intero astro che collassa, o meglio in un primissimo momento sì, è così, ma è il nucleo, il cuore della stella che collassa drammaticamente mentre il resto degli strati viene invece sparato via).
Fai quindi finta che in questa ipotesi, puramente a titolo esemplificativo, il Sole sia una stella massiccia oltre le 25 MS, dai, solo per far funzionare l’esempio!

Così, in questo caso, stai osservando in realtà il nucleo che in una frazione di secondo raggiunge le dimensioni di una Nana Bianca ma la massa iniziale è così grande che prosegue il collasso (supera il limite di massa di 1,44 MS)

… eccolo il nucleo luminoso che collassa sempre più e rimpicciolisce, mentre hai la conformazione terrestre per confronto…

… ancora e ancora, vista la grande massa iniziale.

Raggiunta la dimensione media di circa una trentina di km di diametro, al culmine della luminosità, potrebbe trasformarsi in stella di neutroni ma la massa iniziale è ancora troppo grande e il nucleo ha superato anche il limite di massa per questi oggetti densissimi (3,12 MS) e il collasso non si ferma…

… è iniziata l’istantanea trasformazione in quel grande mistero insondabile…

… che affascina l’Uomo dalla notte dei tempi…

l’incredibile invisibile incontrastato “divoratore di mondi”, il Buco Nero! La materia che si trova in prossimità di quella zona inizia ad essere lentamente ma inesorabilmente fagocitata…

… e per concludere se la Terra subisse lo stesso destino (e ripeto non può essere perché non ha la massa sufficiente, trascurando il fatto che non è una stella e quindi non ha reazioni termonucleari al suo interno…) le sue dimensioni finali sarebbero paragonabili a quelle di un’arachide!

Ora calma! Respira profondamente!

Siccome parlare di BH può far venire le vertigini anche alle costituzioni più robuste, meglio fare qualche premessa per prepararti psicologicamente…

elaborazione creativa su rappresentazione artistica
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13b. Buco Nero
(Black Hole – BH):
premessa

Ecco, ci siamo, finalmente arriva:
Lui
il Re della festa
anzi l’Imperatore
il dominatore incontrastato, ai vertici della classifica, tanto affascinante da restare ancora uno dei più gettonati oggetti di studio e uno dei misteri più insondabili dell’Universo, nonostante tutti i costanti sforzi di svelarne la natura e carpirne i segreti più nascosti!

rappresentazione artistica

Certo di passi avanti giganteschi ne stiamo facendo, e grazie alle nuove tecnologie e alla meravigliosa branca dell’Astronomia multi-messaggero, con l’incredibile campo di studi delle onde gravitazionali, i nuovi studi sono molto promettenti e si sta aprendo letteralmente un’Universo (ci vorrebbe più di un post solo per questo argomento).

rappresentazione artistica della deformazione del tessuto spazio-tempo ad opera delle onde gravitazionali

Ma Lui resta lì, lontano e imperscrutabile, e di sé lascia solo informazioni indirette, come facendosi beffe della piccola umanità presuntuosa che si entusiasma come un bambino per la primissima eccezionale “sudata” foto mai ottenuta nel 2019! Spendo qui due paroline dovute per l’evento eccezionale, riportando un estratto dell’articolo di Media Inaf dedicato.

M87

Ti presento il famosissimo Buco Nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87

Questa qui sotto NON è un’elaborazione artistica, non l’ha dipinta o elaborata un artista al computer, a fantasia, pur ispirato a dati scientifici e guidato da ricercatori, per aiutarci a visualizzare un Buco Nero! Questa è reale, anche se ottenuta con enorme lavoro e non il risultato di un semplice scatto di macchina fotografica.

Qui sotto invece sì, lo è, una fantasia, un concept, una rappresentazione artistica, anche affascinante, ma non reale!

rappresentazione artistica

Al contrario, l’elaborazione grafica di M87 è reale, è frutto di uno straordinario lavoro d’equipe! Rappresenta il risultato di mesi e mesi, ANNI di lavoro di CENTINAIA di ricercatori e tecnici sui dati raccolti dall’EHT.
Ti va se ti rubo un minuto per spiegarti che cosa è “Event Horizon Telescope”? Ne vale la pena…

Event Horizon Telescope

Link utilissimo con tutte le info sui siti EHT:
eventhorizontelescope.org/array

Come vedi dalla chiara infografica che segue, 8 telescopi in tutto il mondo, collegati in collaborazione per questa straordinaria occasione (l’unità fa la forza), hanno creato un Telescopio Virtuale delle dimensioni della Terra! In particolare Alma (radiointerferometro composto da 66 antenne ad alta precisione nel deserto del Cile, a 5.000 metri d’altitudine!) ha connesso l’intera rete Eht.

dalla sinistra in alto, in senso orario:
APEX – Esperimento Atacama Pathfinder
Pico Veleta – IRAM
Istituto di Radioastronomia Millimetrica, da 30 metri
LMT – Grande telescopio millimetrico “Alfonso Serrano”
JCMT – Telescopio James Clerk Maxwell
ALMA – Array Atacama Large Millimeter/Submillimeter
SMT – Telescopio submillimetrico-Heinrich Hertz Telescope, parte dell’Arizona Radio Observatory ARO,
SMA – Array submillimetrico
SPT – Telescopio del Polo Sud
© Credits: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Grazie a questa unione di strumenti complessi e tecnologicamente avanzati, si possono ottenere immagini con una risoluzione impressionante, come dire, in parole povere, poter misurare dalla Terra un oggetto grande come una carta di credito sulla superficie della Luna.

nel 1972 Charles Duke lasciò la foto della famiglia sul suolo lunare, Apollo 16 – credit NASA ingrandisci, enlarge

È quindi semplicemente incredibile: stai guardando nel passato a 55 milioni di anni luce di distanza, praticamente è come se tu indossassi degli occhiali con filtri polarizzati e quindi puoi ora vedere il BH più nitidamente, con meno disturbi. I getti luminosi, le linee curve intorno all’Orizzonte degli Eventi, si estendono per almeno 5.000 anni luce dal suo centro. Il diametro dell’Orizzonte degli Eventi è “piccolo” quanto l’intero Sistema Solare

Media INAF
A sinistra la famosissima immagine del BH supermassiccio al centro della galassia Messier 87 (M87), 6,5 miliardi di MS , distante 55 milioni di anni luce, pubblicata il 10 aprile 2019 – credit The Event Horizon Telescope. A destra l’immagine elaborata dopo anni di analisi e simulazioni, in luce polarizzata, dove le linee indicano l’orientazione della polarizzazione, legata al campo magnetico che circonda l’ombra del BH – credit Eht Collaboration. Credit MediaINAF

Se vuoi vivere l’emozione che hanno vissuto le centinaia di ricercatori e tecnici che hanno lavorato a questo fantastico progetto, ti consiglio caldamente di non perderti il bellissimo documentario-resoconto su Netflix Buchi neri: ai limiti della conoscenza, davvero emozionante! In parallelo si descrive anche il lavoro di Hawking e collaboratori sul “paradosso dell’informazione” nel BH.

Ti segnalo inoltre, tra i tanti, un bell’articolo che spiega meglio l’enormità di questa scoperta, La prima foto di un buco nero: tutte le cose da sapere, di Sandro Ciarlariello per Quantizzando

Se vuoi invece metterti alla prova con un articolo più tecnico dedicato a M87, non perderti Buchi neri rotanti, i più potenti generatori di energia dell’Universo, di Michele Diodati dal blog Spazio Tempo Luce Energia

Qui sotto, inoltre, menzione d’onore per Katie Bouman, all’epoca ricercatrice post-dottorato che ha avuto un ruolo decisivo in tutte le fasi del progetto, anche se resta chiaro che è stato un grandissimo quasi impossibile lavoro di squadra, e che squadra!! In ogni caso per me l’entusiasta Katie rappresenta magnificamente il volto dell’Emozione della scoperta!

Perdona la piccola divagazione, ma anche in questo il Buco Nero è fonte continua di ispirazione, nello spingerci al di là dei nostri limiti, ad immaginare, teorizzare, costruire iperboli e mondi, universi alternativi scientificamente possibili e plausibili…

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13c. Alcuni punti “fermi” per aiutarti a capire meglio e visualizzare un BH

Non sono un professionista, ma solo un appassionato, quindi lascio immediatamente il campo delle speculazioni per restare con i piedi ben piantati per terra, anzi, a piedi nudi nel Parsec“.

  • i BH esistono, la scienza grazie alla moderna tecnologia, ha confermato la loro esistenza, mentre in passato erano stati solo teorizzati dalla Relatività Generale di Einstein, quindi non sono più fantasia o fantascienza!
Jodie Foster in “Contact”
  • nessuno ne ha mai visto direttamente uno, d’altronde come sarebbe mai possibile!? La luce ne viene catturata e non può uscirne, quindi non possiamo “vederlo”
  • ora, avrai già sentito parlare della “curvatura del tessuto spazio-tempo”:
    in pratica l’Universo È questa immensa sconfinata invisibile “membrana”, come una griglia elastica, piena di oggetti che causano depressioni più o meno grandi. Su questa membrana si manifesta la Gravità, quindi un oggetto in base al suo peso (nello spazio si dice “massa”) “curva” il tessuto spazio-tempo, deforma la membrana in modo più o meno vistoso, e in base a tale curvatura agisce l’attrazione gravitazionale sugli altri corpi che sono vicini…
simulazione computerizzata
  • bene, dove c’è un BH accade questa cosa bizzarra per cui non è visibile alcun corpo, eppure c’è una altrettanto invisibile buca o voragine più o meno profonda (dipende appunto dalla massa): da quella buca, se per caso qualcosa ci finisce proprio dentro non ne esce più, non solo, ma non sappiamo più niente del suo destino (“paradosso dell’informazione”)
simulazione tratta dal breve documentario della Agenzia Spaziale Italiana ASI
  • voglio però chiarire che quella appena spiegata in modo molto semplicistico è in realtà una “buca gravitazionale”, l’effetto della massa del BH sulla membrana del tessuto spazio-tempo. Tuttavia non ti consiglio di immaginare il BH semplicemente come un gorgo nell’acqua, come potrebbe sembrare.
  • In realtà il concetto di questo incredibile meraviglioso quanto enigmatico oggetto astronomico è assai più complesso e secondo me è meglio restare “aperti di mente” e immaginare un BH come una sfera buia, esattamente come del resto era sferico il nucleo della stella massiccia, che alla fine è collassato e continua a collassare all’infinito…
rappresentazione artistica di un BH, autore XMM-Newton, ESA, NASA; credit immagine Dana Berry, NASAingrandisci, enlarge
  • tanto per mettere alla prova la resistenza dei tuoi neuroni, puoi provare a capire in cosa consiste questa simulazione animata della NASA riguardante il materiale che vortica nel Disco di accrescimento attorno ad un BH, visto però di taglio! Davvero in questo incredibile ambito è secondo me imperativo non costringersi in schematismi rigidi, bensì restare “aperti” ed “elastici”. Per la complessa spiegazione ti invito ad andare direttamente al link.
simulazione animata, credits Goddard Space Flight Center NASA/Jeremy Schnittman
  • li studiamo grazie agli effetti gravitazionali che hanno sulla materia circostante: questo oggetto astronomico ha una attrazione gravitazionale che è la più grande rispetto a qualsiasi altro corpo celeste! In pratica un BH ha una tale forza di attrazione gravitazionale da deviare la radiazione elettromagnetica (sia essa onde radio, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X o raggi gamma) dal suo cammino, e questa deviazione noi possiamo vederla, con gli strumenti adatti, e cercare di capire cosa l’ha provocata

La slide sottostante presenta secondo me in modo efficace e immediato esempi di attrazione gravitazionale progressiva e spiega come mai i fotoni non riescono a fuggire da un Buco Nero:
a1) una supergigante ha una gravità relativamente debole, i fotoni emessi viaggiano lungo linee rette
b2) durante il collasso a stella di neutroni, la gravità superficiale è sempre più forte e le traiettorie dei fotoni vengono “curvate”
c3) il collasso continua, la gravità è sempre più forte e le traiettorie sempre più curve
d4) quando la stella collassa al di sotto di un raggio critico (Schwarzchild), diventa un BH: i fotoni hanno traiettorie curve che non permettono loro di sfuggire

slide tratta da una lezione di Astronomia del prof. Alessandro Melchiorri, dove si capisce con facilità quanto un Buco Nero abbia il maggiore potere attrattivo persino sui fotoni ingrandisci, enlarge
  • Un brevissimo accenno al concetto di “velocità di fuga”: è la velocità minima che occorre imprimere ad un oggetto (in chilometri al secondo) affinché possa uscire dal campo gravitazionale del corpo a cui è legato. Osserva che:
    *per la Terra è 11 km/s
    *per la Luna 2,3 km/s (è più facile saltare lontano e si è più leggeri)
    *per Marte 5 km/s
    *per Giove 59,6 km/s
    *per il Sole 617 km/s

… e così via, ma quando si passa a parlare dei nostri due oggetti in questione la situazione cambia drammaticamente:
*per una stella di neutroni 100.000 km/s (1/3 della velocità della luce!)
*per un BH la velocità di fuga è esattamente 300.000 km/s, cioè proprio la velocità della luce, che per questo non può fuggire!

  • e li studiamo anche grazie alle emissioni della materia che viene catturata e vortica furiosamente nel disco di accrescimento, ma anche a quella potente che proviene dai getti relativistici che partono dall’esterno dei BH rotanti (non dall’interno, altrimenti sarebbe una contraddizione): X, ottica, infrarossa (IR), radio, Ultravioletta e Gamma
rappresentazione artistica
  • non ne abbiamo mai visto direttamente uno, figuriamoci avvicinarsi o tantomeno entrare dentro uno di essi (pura fantascienza), quindi le teorie sui Buchi Neri sono e restano speculazioni, NESSUNO sa cosa succeda dentro! Siamo a livello teorico, “pane” per i fisici e gli astrofisici teorici, anche se grazie alle nuove tecnologie e alla nuova branca promettentissima dell’astronomia multi-messaggero, grazie alle onde gravitazionali, stiamo facendo progressi
rappresentazione artistica digitale

Ci sei ancora? Sei ancora lì?
Guarda che capisco se vuoi urlare, picchiare il cuscino o andare a farti una corsa…

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13d. Come è fatto un BH? Per aiutarti a definirlo meglio

  • la sfera scura, buia che vedi, quella attorno alla quale ruota la materia luminosa che vi sta precipitando, quella NON è il centro/nucleo del Buco Nero, NO!
  • quella regione buia è il famoso “Orizzonte degli Eventi”, una superficie IPOTETICA che rappresenta il confine dove la luce e la materia hanno ancora la possibilità di sfuggire all’enorme potere attrattivo del BH (nei BH rotanti si suppone ne esista anche uno più interno, detto “di Cauchy)
  • in pratica, una volta che hai superato quel confine sei finito, non torni più indietro e anzi vieni “spaghettificato” perché tutte le tue cellule vengono stirate e allungate nel raggiungere il centro; se invece non l’hai ancora raggiunto, in teoria, ma solo in teoria, hai ancora modo di fuggire (Ergosfera) e di usare quell’attrazione gravitazionale come “fionda” per essere sparato lontano
slide molto esemplificativa dove la luce è rappresentata dalla barchetta: la barchetta centrale è ormai catturata e scompare avendo superato Ergosfera ed Orizzonte degli Eventi, e si dirige in un percorso infinito verso la Singolarità – la barchetta a sinistra può ancora fuggire non avendo superato il limite di non ritorno (zona Ergosfera), si trova infatti nel limite statico – la barchetta di destra scappa non avendo raggiunto né Ergosfera né Orizzonte degli Eventi ma potendo sfruttare l’effetto “fionda”

Il principio della fionda gravitazionale viene usato dalle agenzie spaziali per imprimere maggiore velocità a sonde e navicelle spaziali, come successo ad esempio per le missioni Apollo verso la Luna usando l’attrazione gravitazionale della Terra, oppure nel caso delle sonde Voyager tuttora in viaggio oltre i confini del Sistema Solare, avendo approfittato dell’enorme attrazione gravitazionale dei pianeti giganti

in questo caso simpaticamente la navicella usa l’attrazione della Terra per spostarsi da Marte a Venere – “Il nostro viaggio sul pianeta Venere“, Associazione AstronomiAmo
  • la zona di turbolenza confinante con l’Orizzonte degli Eventi, dove la materia si accumula vorticando e così aumenta la velocità di rotazione, la temperatura e la pressione e di conseguenza la luminosità e l’emissione di radiazione elettromagnetica, spesso in raggi X (proprio quella che noi registriamo grazie agli osservatori e ai telescopi e che ci permette di scoprire la presenza di un BH)
    … dicevo quella zona si chiama ERGOSFERA, meglio conosciuta con il termine “Disco di Accrescimento”. Da lì in poi la materia viene inesorabilmente accelerata per essere fagocitata perché questa regione impone un moto perpetuo alla materia che vortica sempre più freneticamente verso il suo oscuro destino. Per questo il disco diviene luminosissimo e consente di identificare la presenza di un Buco Nero
  • piccolo accenno al fatto che IN TEORIA la materia vorticante nell’Ergosfera potrebbe ancora fuggire dal suo destino: è vero, tale materia acquisisce sempre più velocità e la temperatura aumenta a livelli spaventosi, perché l’energia impressa alle particelle è prossima a quella della luce e quindi IN TEORIA potrebbero superare la velocità di fuga dal Buco Nero (300.000 km/s, velocità della luce).
    Il discorso si fa tuttavia complesso, perché l’energia della particella che riuscisse ad uscire si farebbe negativa, quindi risulterebbe, in fase di uscita, più energetica di quando è stata catturata, e questo praticamente impoverirebbe l’energia del Buco Nero: quindi, se così fosse, più materiale riuscisse a fuggire, più il Buco Nero perderebbe potenza… Non so cosa pensi tu, ma io credo sia meglio lasciare fare questi studi ai tecnici e ai teorici…
  • il “nucleo” invece, il centro del BH, è qualcosa onestamente di impossibile da immaginare (non che il resto di tutta questa storia del BH lo sia, in effetti…).
    È stato IPOTIZZATO che sia un punto infinitesimale, dove è concentrata tutta la materia, ma ricorda che è solo una SUPPOSIZIONE, non esiste alcuna prova scientifica. Il nome che è stato scelto per quel punto minuscolo è altrettanto affascinante quanto il BH stesso, vale a dire “Singolarità'”, un nome che è tutto un programma, come si dice, perché si parla di “densità infinita” in quanto tale “regione singolare” avrebbe volume pari a zero e conterrebbe tutta la massa del BH
documentario “Universo ai Raggi X”, Focus, si può accedere tramite registrazione a Infinity

Insomma, è un po’ come la metafora della tela di ragno nel buio del vuoto cosmico, che attende paziente qualcuno che gli capiti a tiro, e nel momento in cui finisci nella tela il tuo destino è quasi sempre segnato, anche se a volte puoi avere fortuna…

un BH immaginato come una tela di ragno, con la CrewDragon 2 che tenta di sfuggirgli e le Aquile di Spazio 1999 che accorrono in difesa… collage creativo su immagine reale della CrewDragon2 di SpaceX, elaborazione grafica Tiziana “Tirtha” Giammettaingrandisci, enlarge
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13e. Proprietà dei Buchi Neri: sono tutti uguali?
Eh NO!

Buco Nero
se Mi > 25 MS e
Mresiduo > 3,12 MS

1,44 MS è il limite di Chandrasekhar per le Nane Bianche, mentre 3,12 MS è il limite Tollman-Oppenheimer-Volkoff per le Stelle di Neutroni (per altri 3,8).

Quindi, se il nucleo della stella morente supera le 3,12 masse solari (limite di Oppenheimer-Volkoff) la stella di neutroni non riesce più a bilanciare la forza gravitazionale e il collasso è inarrestabile: si forma un Buco Nero, in questo caso stellare, e la materia si ipotizza scompaia in una “singolarità”, un punto di dimensioni nulle e densità infinita

Qualche confronto aiuta a dare un’idea delle dimensioni ipotetiche, in questo caso per un Buco Nero stellare, cioè risultato del collasso di una stella massiccia:
Gigante Rossa versus Sole
– Sole
versus Nana Bianca
Nana Bianca
versus Stella di Neutroni
Stella di Neutroni
versus Buco Nero

credit Redaelli Osservatorio Inaf Breraingrandisci, enlarge

Ok ragazzi, ora potete tornare in panico!

Quanto possono essere “giganti” i Buchi Neri? Quelli giganti come fanno ad essere così titanici?
Il Segreto è la massa!

Non è la massa a fare il Buco Nero, ma la Massa diviso il diametro!

Questo infatti è da chiarire:
– una cosa è la massa, il “peso” del BH, quanto cioè esso deforma il tessuto spazio-temporale
– altra cosa è la dimensione, cioè il diametro dell’Orizzonte degli Eventi, quanto è “grande, esteso” il BH vero e proprio

Più è grande la massa del Buco Nero, più questo “domina” su una regione sempre più vasta perché la curvatura, cioè la deformazione del tessuto spazio-tempo causata dalla sua massa, si espande nello spazio circostante!

In questa rappresentazione sono confrontate le curvature del tessuto spazio-tempo causate da masse come il Sole, una Nana Bianca, una stella di neutroni e un Buco Nero, ma in realtà la massa non provoca solo la “profondità della voragine”, bensì anche l’estensione del potere gravitazionale dell’oggetto sullo spazio circostante, che nel caso dell’ultimo oggetto si definisce Orizzonte degli Eventi ed Ergosfera.
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13f. 1^ proprietà: la massa

Esistono infatti BH stellari grandi da pochi cm a diverse decine di km, ma esistono anche BH intermedi che hanno un diametro di centinaia di migliaia di km, fino agli autentici mostri che si trovano al centro delle galassie e che hanno diametri che possono tranquillamente ingoiare tutto il Sistema Solare e ben oltre, senza problemi. La situazione è davvero molto ricca e complessa, eccoti la suddivisione:

  • Buchi Neri STELLARI (SBH): oggetti con masse tra 5 e 100 MS (in media < 15 MS), che nascono dal collasso di una stella massiccia giunta al termine della propria evoluzione
un Buco Nero lungo le coste di Rimini, Emilia Romagna, Italia, credit Associazione Astronomica del Rubicone

Confronto massa / dimensioni Orizzonte degli Eventi (1:6)
(per approssimazione a titolo esemplificativo)

leggi così: “se il Buco Nero ha massa pari a … = il diametro Orizzonte Eventi sarà …”

  • massa pari alla Terra = diametro 2 cm
  • massa pari al Sole = diametro 6 km
    (anche Terra e Sole diventerebbero Buchi Neri se compressi fino a quei diametri, ma non può succedere perché non hanno sufficiente massa, come hai visto)
  • massa pari a 5 MS = diametro 30 km
come la distanza Milano-Lodi
  • massa pari a 10 MS = diametro 60 km
indicativamente la distanza stradale Milano-Lago Maggiore
  • massa pari a 100 MS = diametro 600 km
indicativamente la distanza stradale tra Milano e Parigi
  • Buchi Neri di massa INTERMEDIA (IMBH): oggetti con masse comprese tra 100 e 100.000 MS, ancora in fase di studio

Questi sono rari e di recente la ricerca sembra avere dati ottimisti: ce ne sarebbero molti invisibili e dormienti nelle periferie galattiche, ma quando avviene che una stella gli capita a tiro ed entra nel loro raggio d’azione gravitazionale, le forze mareali deformano la stella e la fanno a pezzi, creando un flusso di detriti che poi cadono verso il buco nero, illuminando lo spazio circostante con getti luminosi di plasma ed energia, ed è così che possiamo scoprire anche questa categoria.

sempre rappresentazione artistica

Confronto massa / dimensioni Orizzonte degli Eventi (1:6)
(per approssimazione a titolo esemplificativo)

leggi così: “se il Buco Nero ha massa pari a … = il diametro Orizzonte Eventi sarà …”

  • massa pari a 200 MS = diametro 1.200 km
indicativamente la distanza stradale tra Trento e Reggio Calabria
  • massa pari a 400 MS = diametro 2.400 km
indicativamente la distanza Milano-Mosca
  • massa pari a 47.000 MS = diametro 282.000 km (per capire, 3/4 della distanza Terra-Luna o 7 volte la circonferenza terrestre)
che poi ti ricordo che la distanza tra Terra e Luna è talmente grande che potrebbe essere riempita da tutti i pianeti del Sistema Solare
  • massa pari a 100.000 MS = diametro 600.000 km (15 volte la circonferenza terrestre)
  • Buchi Neri SUPERMASSICCI (SmBH) o “Monstre”: oggetti con masse di milioni o miliardi di MS , che possono degenerare a loro volta in Nuclei di Galassie Attive (NGA) o Radiogalassie (vedi anche Quasar)

Tieni conto che questo tipo di Buco Nero risiede nei centri delle galassie e degli ammassi di galassie: in effetti una tale vastità di estensione inimmaginabile si trova dove c’è grande abbondanza di gas interstellare. È davvero allucinante leggere queste dimensioni…

Cygnus A: 2,5 miliardi MS a 760 milioni di anni luce, il suo Orizzonte degli Eventi ha le dimensioni del Sistema Solare fino al pianeta più esterno – ingrandisci, enlarge
Esatto, proprio lui, l’Smbh al centro della galassia M87 descritto prima appartiene a questa categoria, 6,5 miliardi MS !
NGC 1277: 17 miliardi MS a 220 milioni di anni luce, Orizzonte degli Eventi con diametro 600 Unità Astronomiche AU (11 volte l’orbita di Nettuno)
APM 08279+5255: Buco Nero con 20 miliardi di MS a 12 miliardi di anni luce, confrontato con il segmento che rappresenta 1 giorno-luce, l’orbita della cometa Hale-Bopp e la Nebulosa Homunculus. Vista l’enorme distanza l’oggetto attivo è detto Quasar (vedrai verso la fine)

Confronto massa / dimensioni Orizzonte degli Eventi (1:6)
(per approssimazione a titolo esemplificativo)

leggi così: “se il Buco Nero ha massa pari a … = il diametro Orizzonte Eventi sarà …”

  • massa pari ad 1 milione MS = diametro 6 milioni km
  • massa pari ad 4 milioni MS = diametro 23,5 milioni km (Sagittarius*)
  • massa pari ad 140 milioni MS = diametro 830 milioni km (per capire, poco oltre la distanza Sole-Giove – nel centro di Andromeda)
  • massa pari ad 660 milioni MS = diametro 3,2 miliardi km (per capire, poco oltre la distanza Sole-Urano – nel centro della galassia Sombrero)
rappresentazione artistica
infografica con distanze non in scala, dimensioni Sole non in scala, mentre è rispettato l’ordine dei pianeti e le relative approssimative dimensioni degli interni ed esterni presi singolarmente
  • massa pari a 40 miliardi MS = diametro 240 miliardi km (per capire, come mettere in fila circa 7 Sistemi Solari – nel centro dell’ammasso di galassie Abell 85, a 700 milioni di anni luce)

Avrai visto di recente anche questo che è al momento il Buco Nero Supermassivo più esteso e più massiccio conosciuto: TON 618, Quasar nella costellazione dei Cani da Caccia, 66 miliardi MS, diametro di 2.606 Unità Astronomiche cioè circa 389 miliardi km

ingrandisci, enlarge

Si stima ci sia un SmBH in ogni cubo di un miliardo di anni luce di lato, inoltre la maggior parte dei SmBH sono spenti e solo l’1% è attivo ed è all’origine dei Quasars (li vedi verso la fine del post oppure cercali nell’indice)

Yoshiki Matsuoka (Ehime University), Osservatorio astronomico nazionale del Giappone (Naoj), Maura Sandri per INAF
  • dimenticavo, ci sarebbero anche i Buchi Neri MICROSCOPICI detti anche “meccano-quantistici”

Per il momento sono solo una ipotesi, sarebbero oggetti super-densi con una massa molto più piccola della nostra Luna, ma potrebbero avere un ruolo cruciale nella sintesi di elementi chimici più pesanti del Ferro (che ti spiego brevemente nel prossimo episodio dedicato alle interazioni), anche perché sarebbero protagonisti di scontri e fusioni particolari.

massa pari alla Luna = diametro 0,2 mm

Ti propongo ora la video-animazione “Black Hole Comparison”, di Morn1415, di cui all’inizio ti ho mostrato qualche fotogramma, perché è estremamente efficace nel visualizzare la quantità di massa che certi “mostri” concentrano, buona visione!

Te ne propongo anche un’altra in lingua inglese, altrettanto bella ed efficace: mi raccomando, se hai problemi cardiaci non guardarla! “The Most Extreme Black Holes In The Universe”, Science Insider.

Sì, perché, diciamocelo: finché sono 3 o 4, ancóra ancóra riesci ad immaginarli, con un po’ di sforzo…

da “Black Hole Comparison”, di Morn1415

… ma quando diventano 1.000, milioni o miliardi, il confine con la pazzia è presto varcato!

da “Black Hole Comparison”, di Morn1415

Come vedi, tra le meraviglie allucinanti nell’Universo, i Buchi Neri in quanto ad estensione dell’Orizzonte degli Eventi battono ampiamente le stelle Ipergiganti più colossali, è proprio una gara a chi è capace di impressionare di più!

TUTTO QUESTO è costantemente affascinante e stimolante perché mi costringo sempre a ricordare che è tutto vero, è la fuori da qualche parte, e non in un film, e attende solo che i suoi misteri vengano svelati!

2^ proprietà: la carica

Un BH può essere:

  • semplice, con massa ma senza carica e senza rotazione (Schwarzschild)
  • carico (Reissner-Nordstrom)
  • rotante (Kerr – di questo tipo è il SMBH in M87)
  • carico e rotante (Kerr-Newmann)

3^ proprietà: la rotazione o “momento angolare” o “spin

Per quanto riguarda la rotazione, 3 condizioni vedono coinvolti il BH rispetto al materiale che vortica attorno nel Disco di Accrescimento o Ergosfera:

  • rotazione del BH inversa/retrograda rispetto al materiale circostante vorticante
  • BH statico, non ruota, mentre il materiale circostante vorticante lo fa
  • rotazione del BH progressiva
ingrandisci, enlarge
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13g. Densità dei Buchi Neri

  • in quanto a densità = rapporto fra massa del buco nero e volume racchiuso entro l’Orizzonte degli Eventi, il dettaglio controintuitivo è che i BH supermassicci hanno densità più basse di quelli più piccoli, infatti più è grande/vasto il BH, meno è denso; sembra inoltre che la densità media sia uguale o inferiore a quella dell’acqua (anche se non devi immaginarti un lago nello spazio)!
  • di conseguenza le forze di marea (quelle che distruggono facendola implodere una luna che orbita troppo vicina ad un pianeta di grandi dimensioni, i cosiddetti “Eventi di Distruzione Mareale” Tde), nei BH minori sarebbero molto più intense perché concentrate in uno spazio piccolo, mentre invece deboli in quelli supermassicci (condizionale d’obbligo)
  • ciò significa che in quest’ultimo caso puoi immaginare che un astronauta in viaggio dall’Orizzonte degli Eventi verso la singolarità, essendoci uno spazio così vasto, non avrebbe per lungo tempo i problemi di spaghettificazione che invece incontrerebbe in BH più piccoli e densi
chissà però quali altri problemi incontrerebbe…