Singolarità gravitazionale

All’interno della stella, che altro non è che un ammasso di gas solitamente

disposti in forma sferica, troviamo un nucleo di elio ad una temperatura

elevatissima. Negli strati immediatamente successivi, soggetti ad una

rarefazione con l’aumento della distanza dal nucleo, si trova uno strato di

idrogeno fuso sottoposto a processi di fusione nucleare volti a liberare una

considerevole dose di energia attraverso la sintesi di elio a partire da Atomi di

idrogeno. Un aspetto che a breve approfondirò per il suo ruolo cardine nella

genesi della singolarità e dell’equilibrio della massa della stella stessa. Al

confine fra il nucleo e la zona di fusione dell’idrogeno si trova quella che viene

definita Zona Convettiva; in cui l'energia termica, attraverso i moti convettivi,

viene portata negli strati più esterni del corpo celeste, ossia in superficie. I moti

convettivi stellari consistono in movimenti del plasma all'interno della stella,

che di solito formano correnti circolari di convezione che riscalda il plasma in

discesa, il quale, dopo essere risalito, cede energia all'esterno, raffreddandosi,

raddensandosi e precipitando nuovamente verso l'interno. L’importanza di

questi moti convettivi, oltre a consentire un flusso interno al corpo celeste, è la

creazione di un movimento di plasma in grado di provocare un comportamento

analogo a quello di una dinamo; generando pertanto un campo Magnetico.

L'intensità del campo varia in relazione alla massa e alla composizione della

stella, mentre l'attività magnetica dipende dalla sua velocità di rotazione. Un

risultato dell'attività magnetica sono le caratteristiche macchie fotosferiche,

regioni a temperatura inferiore rispetto al testo della fotosfera in cui il campo

magnetico si presenta particolarmente intenso. Altri fenomeni strettamente

dipendenti dal campo magnetico sono gli anelli coronali ed i flare. Le giovani

stelle, che tendono ad avere una velocità di rotazione molto alta, hanno

un'attività magnetica molto intensa. I campi magnetici possono influire sui

venti stellari arrivando ad agire come dei "freni" che rallentano

progressivamente la rotazione della stella man mano che essa compie il proprio

percorso evolutivo. Per questo motivo le stelle non più giovani, come il Sole,

compiono la propria rotazione in tempi più lunghi e presentano un'attività

magnetica meno intensa. Ma l’aspetto più importante permane quello delle

reazioni interne all’astro, che vengono comunemente definiti come: reazioni di

nucleo sintesi Stellare. Nelle stelle vengono prodotti tutti gli elementi chimici

tranne l'idrogeno, che fa da carburante iniziale. L'elio, benché prodotto in

quantità, è già presente nell'Universo in grandi percentuali, e l'aggiunta da

parte delle stelle è piccola. Per tutti gli altri elementi, compresa la grande

maggioranza degli atomi che compongono il nostro pianeta, assenti o presenti

in quantità trascurabili nel gas interstellare, le stelle sono le principali

responsabili della loro esistenza. In particolare le stelle di grande massa

producono le quantità più grandi di elementi fino al ferro-56, mentre gli

elementi più pesanti possono essere prodotti in un'esplosione di supernova,

che avviene alla fine della vita di una stella di grande massa. All'interno del

al secondo,

Sole vengono fuse 600 milioni di tonnellate di idrogeno e di queste

4 milioni di tonnellate vengono convertite in energia pura, secondo la famosa

equazione di Einstein E=mc² che più avanti approfondirò doverosamente.

Tuttavia, all’interno di tutti questi processi di nucleo sintesi stellare, sono due

quelli che maggiormente attirano l’attenzione e le riflessioni per il ruolo cardine

che giocano nell’universo e nell’equilibrio della stella stessa. Questi due

processi sono: La fusione dell’idrogeno e la fusione dell’elio per generare il

Carbonio. Il processo di Fusione dell’idrogeno è quello che si svolge nel normale

arco vitale della Stella, in quella fase di equilibrio posta nel mezzo fra la nascita

e la morte della stessa, rappresentando la sorgente di energia principale

dell’astro. La reazione Chimica che compone questo processo è definita Catena

Protone-Protone, dal nome delle particelle che partecipano principalmente al

processo. La reazione comincerà, come noto, dall’idrogeno composto da un

solo protone; Nella prima fase,quindi, due atomi di idrogeno si fondono

generando un atomo di deuterio e liberando un positrone, un neutrino ed

ovviamente energia. Ricordo brevemente che il positrone è l’antiparticella

dell’elettrone ossia un elettrone positivo anziché negativo, il suo simbolo fisico

è “e ” . Un neutrino è una particella di cui si conosce poco, si sa che è neutro e

+

molto più piccolo dell’elettrone (circa 100000 volte più piccolo), si muove a

velocità relativistiche prossime a quelle della luce, il suo simbolo fisico è “ν ”.

e

Un raggio gamma è una radiazione di tipo elettromagnetico molto energetica

dal simboli fisico uguale a “γ”, ed infine l’elettrone è una particella dotata di

carica negativa dal simbolo fisico “e ”. Questa prima fase è estremamente

−

lenta poiché il protone deve aspettare circa 10 anni prima di fondersi in

9

deuterio. Pertanto la prima fase sarà:

H + H → H + e + v

1 1 2 + e

Nella seconda fase l’atomo di deuterio appena formatosi si combina con un

nuovo atomo di idrogeno generando un atomo di elio-3 (isotopo dell’elio) e un

raggio gamma.

La terza fase può seguire tre vie diverse che, alla fine, portano comunque al

medesimo risultato, ovvero alla formazione dell’elio-4.

H + H → He + γ

2 1 3 Ramo PP I

Nella terza fase del ramo denominato PP I due atomi di elio-3 precedentemente formati si fondono

generando un atomo di elio-4, due atomi di idrogeni e ovviamente energia. I due atomi di idrogeno

rilasciati si renderanno disponibili per un nuovo ciclo di fusione. Il ramo PP I avviene solo ed

esclusivamente nei nuclei stellari che presentano temperature comprese tra i 10 e i 14 milioni di

gradi Kelvin.

He + He → He + H + H

3 3 4 1 1 Ramo PP II

La terza fase del ramo PP II si divide a sua volta in tre fasi: nella prima un elio-3

si fonde con un elio-4 generando un atomo di berillio-7 e un raggio gamma.

Nella seconda fase il berillio-7 acquista un elettrone e si trasforma in un atomo

di litio-7 con l’emissione di un neutrino. Nell’ultima fase l’atomo di litio-7

appena ottenuto si fonde con un atomo di idrogeno scindendosi in due atomi di

elio-4. Il ramo PP II si verifica nei nuclei stellari che presentano temperature

comprese tra i 14 e i 23 milioni di gradi Kelvin.

He + He → Be + γ

3 4 7

Be + e → Li + v

7 - 7 e

Li + H → He + He

7 1 4 4 Ramo PP III

La terza fase del ramo PP III si divide a sua volta in quattro fasi: le differenze

sostanziali si trovano nel secondo e nel terzo passaggio in cui un atomo di

berillio-7 si fonde con un atomo di idrogeno generando un boro-8 e un raggio

gamma. Il successivo passaggio vede la transizione del boro-8 a berillio-8 con

emissione di un positrone e di un neutrino. Nel quarto passaggio il berillio-8

fortemente instabile decade in due atomi di elio-4. Il ramo PP III si verifica nei

nuclei stellari che presentano temperature maggiori di 23 milioni di gradi Kelvin

. I diversi rami conclusivi PP I, PP II e PP III, non avvengono casualmente nelle

reazioni di fusione termonucleare ma sono strettamente connessi alla

temperatura del nucleo delle stelle. La temperatura nucleare dipende da

diversi fattori, quello predominante è sicuramente la classe di appartenenza

delle stelle, più sono calde più si avrà una prevalenza del ciclo PP III. Nel nostro

Sole, il ramo PP I ha una frequenza del 91%, quello PP II del 8,9% e il PP III

meno dello 0.1%. In generale (considerando tutti i diversi nuclei stellari)

possiamo affermare che il ramo PP I si verifica in media il 69% delle volte

mentre il ramo PP II e il ramo PP III formano insieme il restante 31% dei casi.

He + He → Be + γ

3 4 7

Be + H → B + γ

7 1 8

B → Be + e + v

8 8 + e

Be → He + He

8 4 4

Tutte queste reazioni sono fortemente esoenergetiche, riuscendo a liberare una

quantità considerevole di energia sotto forma di emanazioni termiche che

supportano la medesima esistenza della stella. La necessità di queste reazioni,

difatti, trova la propria ragion d’essere nella lotta che l’astro deve compiere

contro la propria stessa massa. Prendendo l’esempio del nostro sole,difatti, la

sua gravità non viene esercitata solo sui pianeti, ma anche su se stesso; è

quanto dire che lo stesso materiale che costituisce il Sole viene attratto verso il

suo centro, così come la Terra è attratta verso il proprio. Se non esistesse la

forza di gravità esercitata dal Sole sulla materia solare, i gas ad altissima

temperatura che circondano la sua superficie evaporerebbero nello spazio.

Tutto questo in quanto qualsiasi massa obbedisce alla legge dell’inverso del

quadrato della distanza Teorizzata da Newton secondo l’equazione:

Pertanto in base a tale legge , la gravità esercitata sulla superficie del solare

dipende dal raggio del Sole. Nella continua lotta fra gravità e pressione interna

è di primaria importanza tale dipendenza del peso del raggio solare.

Supponiamo che il raggio del Sole si riduca della metà: il peso del materiale

solare ne risulterebbe quadruplicato. Tale aumento di peso tenderebbe a far

comprimere ancora di più il sole, che a sua volta provocherebbe un ulteriore

aumento della gravità alla superficie, che a sua volta farebbe aumentare il

peso, da cui dipenderebbe una nuova diminuzione del raggio, e così via. La

compressione farebbe però anche aumentare la pressione interna, la quale

dovrebbe lottare per sostenere il peso in più, spingendo verso l’esterno con

violenza sempre maggiore. Si scatenerebbe così una lotta titanica, ma alla fine

la gravità ne uscirebbe sempre vincente. Se fosse possibile ridurre il raggio del

Sole sotto un determinato valore, non esisterebbe più pressione sufficiente a

salvare l’astro. Tuttavia, tale valore critico del raggio in gioco, è estremamente

piccolo, di circa mezzo chilometro; finchè una stella mantiene le sue alte

temprature e libera energia supportando le reazioni di Nucleogenesi descritte,

può ricorrere alla pressione termica per controbattere la tendenza della gravità

sempre maggiore a stritolarla; ma quando una stella brucia fino all’esaurimento

e non ha più riserve di calore e di pressione, deve per forza soccombere sotto

l’irrestistibile forza di gravità volta a schiaccciarla. E’ la fine certa a cui vanno

incontro tutti gli ammassi stellari, difatti l’idrogeno anche se presente in

quantità molto elevate è destinato dopo una quantità considerevole di anni

(nell’ordine di miglioni/miliardi) a terminare senza poter più fornire la giusta

quantità di particelle necessarie alla fusione dell’idrogeno e dell’elio. La stella si

troverà quindi in uno stato di deficit energetico che potrebbe determinarne il

collasso se non inizia al più presto a contrastare dovutamente la forza di

gravità diretta verso l’interno. Inizia così un processo volto a trascinare la stella

verso la propria fine; il nucleo di elio si contrae e si riscalda progressivamente

fino a temperature di 100 milioni di °K, sufficienti ad innescare nuove reazioni

termonucleari, che ci portano direttamente a quella fase che avevo

soovracitato: La Trasformazione dell’elio in carbonio. Il carbonbio è un elemento

fondementale da un punto di vista biologico, rappresenta difatti il presupposto

base della vita e degli esseri viventi, è affascinante vedere come una stella

morente sia in grando di generarne partendo dall’elio. Il processo di fusione

dell’elio è il processo triplo alfa;per cui tre nuclei di elio sono trasformati in

carbonio. Esso avviene nei nuclei stellari che, a causa della contrazione dovuta

all’esaurimento dell’idrogeno, hanno innalzato la loro temperatura fino a 100

milioni di gradi Kelvin. Il processo si compie in due fasi:

He + He ↔ Be

4 4 8

Be + He ↔ C + γ

8 4 12