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livello elementare.
ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Stelle, galassia, universo
Quando guardiamo il cielo notturno le stelle ad occhio nudo sembrano tutte uguali ma se le osservassimo più da vicino rimarremo stupiti dalle loro differenze. Una delle cose più importanti in astrofisica è conoscere quanta luce ci arriva da un oggetto o meglio la quantità luminosa per ogni lunghezza d’onda. Dalla metà del XIX secolo, gli astronomi iniziarono a scomporre e studiare la luce delle stelle con diverse tecniche di spettroscopia, ricavando nel tempo per ogni astro la sua temperatura, composizione chimica, valutandone anche la distanza ed età. Questa misura ha avuto uno sviluppo tecnologico straordinario con le sonde spaziali che di fatto hanno allargato gli orizzonti esplorabili precedentemente con l’occhio umano. L’analisi delle frequenze ci fa oggi comprendere in dettaglio quali siano le zone più calde ed energetiche dell’Universo (collocate nelle frequenze dell’ultravioletto e dei Raggi X) ma anche, utilizzando gli infrarossi, di “vedere” attraverso le nubi di polvere cosmica dove le stelle nascono. Grazie all’analisi spettrale gli astronomi possono quindi di leggere il firmamento ovvero l’insieme delle stelle visibili ed invisibili ad occhio nudo che ci raccontano la storia dell’Universo.
Partiamo dall’inizio
La luminosità di una stella è detta magnitudine apparente perché, in realtà è relativa alla sua distanza ed il suo valore è corretto per ottenere la luminosità che l’oggetto avrebbe se la Terra fosse priva di atmosfera. Non bisogna mai confondere la magnitudine con la luminosità (L) che è la potenza totale della luce che un oggetto emette ogni secondo. Per avere un ordine di idee, maggiore è la luminosità dell’oggetto celeste, minore è la sua magnitudine. Per convenzione gli astronomi calcolano per ogni stella la magnitudine assoluta ovvero la luminosità che avrebbe se si trovasse ad una distanza standard di 32,6 anni luce (10 parsec).
Ma quanti tipi di stelle esistono?
Il discorso sarebbe molto lungo e lo riprenderò in un articolo dedicato alla tassonomia delle stelle. In maniera molto semplice abbiamo stelle:
Blu/Azzurre, le più calde e massicce, con temperature che superano i 30.000 gradi Kelvin;
Gialle, come il nostro Sole, che hanno temperature intermedie di circa 5.500 gradi Kelvin;
Rosse, più fredde (circa 35oo Kelvin) e piccole (dette nane rosse) con temperature inferiori ai 3.000 gradi Kelvin, e che costituiscono almeno il 67,5% di tutte le stelle presenti nella nostra galassia (Via Lattea), ovvero circa l’80% rispetto al totale, con delle masse solari che vanno tra il 0,4 allo 0,08 (il valore limite minimo sotto il quale non si creano condizioni di temperatura e pressione tali da innescare le reazioni di fusione dell’idrogeno in elio).
Guardando ad occhio nudo il cielo spesso non riusciamo a distinguerle, sia per l’inquinamento luminoso che affligge i centri abitati, sia per i limiti dei nostri occhi. In alto mare o in zone di montagna è possibile vedere la nostra galassia, la Via Lattea, dal latino Via Lactea, che significa “via del latte”, per descrivere la striscia luminosa lattiginosa visibile nel cielo notturno, stimata in circa 13,7 miliardi di anni. Il suo disco stellare ha un diametro di circa 100 000 anni luce e uno spessore, nella regione dei bracci, di circa 1.000 anni luce. Le stime sul numero di stelle che la compongono sono controverse, tra i 200 ed i 400 miliardi.
| Una curiosità: il nome galassia deriva dal greco antico γαλαξίας, galaxías che indicava originariamente il “cerchio lattiginoso” che tutti osserviamo in zone lontane dall’inquinamento luminoso nel cielo notturno; i marinai lo conoscono e lo hanno raccontato nella loro letteratura nei secoli. |
Osservando la nostra galassia, la Via Lattea, composta da diverse centinaia di miliardi di stelle, tra cui il Sole, ci chiediamo come si formò. La Via Lattea fa parte dell’Ammasso Locale (composta da circa venti galassie vicine, a 5 milioni di anni luce, tra cui Andromeda e le due Nubi di Magellano). Gli astronomi hanno compreso che i bracci a spirale sono giovani, mentre il suo disco è un pò più vecchio. Osservando la Via Lattea dalla Terra, posizionata in uno dei suoi bracci di spirale, essa ci appare come una fascia chiara di luce bianca che percorre trasversalmente l’intera volta celeste. Le interruzioni nella sua continuità sono causate dalla presenza in più punti di nebulose oscure e polveri che oscurano la luce delle stelle più lontane. Il tratto più luminoso ricade tra le costellazioni di Ofiuco, Scorpione e Sagittario, ossia in direzione del centro galattico; numerosi altri punti brillanti si dispongono a nord e a sud del centro. Osservando lo spostamento verso il rosso (redshift 1), si è scoperto che tutte le galassie si allontanano da noi, a meno di quelle dell’ammasso locale, come Andromeda, che un giorno molto lontano si fonderà con la nostra galassia. Ma questa è un’altra storia, misteriosa e affascinante da raccontare.
Questa proiezione di Mollweide copre l’intero cielo come visto dal Two Micron All-Sky Survey. Le luminosità misurate di mezzo miliardo di stelle (punti) sono state combinate in colori che rappresentano tre distinte lunghezze d’onda della luce infrarossa: blu a 1,2 micron, verde a 1,6 micron e rosso a 2,2 micron. Questa immagine è centrata sul nucleo della nostra galassia della Via Lattea, verso la costellazione del Sagittario. Le stelle rossastre che sembrano fluttuare al centro del disco della Via Lattea tracciano le nuvole di polvere più dense della nostra galassia. Le due deboli macchie viste nel quadrante inferiore destro sono le galassie vicine, le Nuvole di Magellano Piccola e la Grande. Le immagini in questa galleria sono state rese pubbliche – Credito “Atlas Image [o mosaico di immagini Atlante] ottenuto come parte del Two Micron All Sky Survey (2MASS), un progetto congiunto dell’Università del Massachusetts e dell’Infrared Processing and Analysis Center/California Institute of Technology, finanziato dalla National Aeronautics and Space Administration e dalla National Science Foundation.” Via Lattea infrared.jpg – Wikimedia Commons
Tutto intorno abbiamo gli aloni galattici, regioni dello spazio che circondano le galassie spirali, come la Via Lattea, lontani da qualsiasi nuvola interstellare, composti principalmente da stelle rade, ammassi globulari, gas e, si pensa, possibili “contenitori” della misteriosa materia oscura. A differenza dei dischi galattici, sembra essere sgombri di polvere interstellare, e contenere stelle di Popolazione II che sono più vecchie e con meno metalli delle stelle di Popolazione I presenti nei dischi.
M80 (NGC 6093) è uno degli ammassi globulari più densi della Via Lattea, situato a circa 28.000 anni luce dalla Terra, che contiene centinaia di migliaia di stelle, tutte tenute insieme dalla loro attrazione gravitazionale. Gli ammassi globulari sono particolarmente utili per studiare l’evoluzione stellare, poiché tutte le stelle dell’ammasso hanno la stessa età (circa 12 miliardi di anni), ma coprono una gamma di masse stellari. Ogni stella visibile in questa immagine è o più evoluta o, in pochi rari casi, più massiccia del nostro Sole. Particolarmente evidenti sono le giganti rosso brillante, stelle simili al Sole per massa che stanno per finire la loro vita, 1999 – Fonte NASA, il Team Hubble Heritage, STScI, AURA Uno sciame di stelle antiche – GPN-2000-000930.jpg – Wikimedia Commons
Ma come nacquero le stelle?
Gli astronomi ci raccontano che le stelle massicce sono i veri motori della creazione. Con masse superiori a 8 volte quella del Sole, queste stelle giganti forgiano gli elementi pesanti e, con la loro violenta fine, innescano la nascita di nuovi sistemi planetari. Da un punto di vista astronomico hanno vite molto brevi e decisamente esplosive. Esse non solo sono motori delle reazioni nucleari che avvengono all’interno di una stella, bruciando il loro combustibile nucleare a temperature estreme, ovvero fondendo idrogeno, elio, carbonio e ossigeno fino a creare elementi più pesanti, ma, vivendo solo per pochi milioni di anni, lo fanno in un tempo astronomicamente breve, Quando esauriscono il combustibile esplodono come supernovae, creando in pochi secondi gli elementi più pesanti come oro e uranio.
Linee nello spettro ottico di un ammasso di galassie distanti (a destra), paragonato alle linee di assorbimento dello spettro ottico del Sole (a sinistra). La lunghezza d’onda aumenta verso il rosso (e la frequenza diminuisce). – Autore Georg Wiora (Dr. Schorsch) ha creato questa immagine dal JPG originale – Opera derivata Redshift.svg – Wikimedia Commons
Le potenti onde d’urto dell’esplosione delle supernovae comprimono quindi le nubi vicine, composte da gas e polveri, ed innescano la nascita di nuove stelle e sistemi planetari. Questo arricchimento di elementi chimici fa comprendere che l’Universo primordiale fosse ricco di idrogeno ed elio, evolvendosi chimicamente in circa 13 miliardi di anni.
In pratica noi siamo i discendenti degli elementi primordiali, la polvere espulsa dalle prime stelle e da molte generazioni di stelle successive, o per dirla romanticamente siamo figli delle stelle e la storia dell’Universo e della nostra galassia è scritta negli astri.
Riassumendo
Grazie alla spettroscopia astronomica abbiamo quindi compreso che nell’universo esistono stelle antiche e stelle giovani. Le stelle della Popolazione I, le più giovani, sono molto più ricche di metalli pesanti (elementi più pesanti dell’elio) di quelle della Popolazione II, ed il loro processo di trasformazione è stato continuo. esse si trovano nel disco tra i bracci a spirale. Giovani ma abbastanza vecchie da aver avuto il tempo di allontanarsi dalle regioni di formazione stellare in cui sono nate senza aver avuto ancora il tempo di lasciare il disco galattico. Il rigonfiamento centrale (bulge) della galassia ospita il nucleo, una regione caotica con pochissimo gas e polvere, che ospita le stelle più antiche. Tra le meraviglie del cielo abbiamo l’alone galattico, una vasta regione lontana da qualsiasi nuvola interstellare che circonda le galassie a spirale, come la Via Lattea. Gli aloni galattici sono invece composti principalmente da stelle rade, ammassi globulari, gas e, si pensa, potrebbero contenere la misteriosa materia oscura.
Vincenzo Popio
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1 il redshift è un fenomeno per cui una radiazione elettromagnetica emessa da un oggetto in allontanamento rispetto ad un altro mostra una lunghezza d’onda maggiore rispetto a quella che aveva all’emissione.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.