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Il Nostro Posto nell’Universo

Siamo Soli nell'Universo? - Anteprima del libro di Lisa Kaltenegger

Misurare l'universo è possibile?

Prima di dedicarci ai mondi esistenti all’interno e al di là del nostro sistema solare, è bene chiedersi dove si trovi esattamente la Terra nell’Universo. Lo Spazio è incommensurabilmente grande: come possiamo, quindi, misurare qualcosa di così immenso?

Nell’uso corrente siamo soliti indicare le distanze in ore di viaggio in auto; per esempio, Monaco di Baviera dista da Salisburgo un’ora e mezza di strada, ammesso di non trovare traffico - una distanza pari a 149 chilometri. Tuttavia, le distanze nello spazio sono notevolmente maggiori, pertanto gli astronomi fanno riferimento a qualcosa che viaggia molto più velocemente dell’automobile: la luce. Secondo la teoria della relatività di Einstein nulla è più veloce della luce. Pertanto, l’Universo viene misurato in anni luce, ossia la distanza che percorre la luce in un anno pari a 9500 miliardi di chilometri o 9,5 milioni di milioni di chilometri. La velocità della luce è pari a circa 300.000 chilometri al secondo, ossia circa 1.000.000.000 chilometri all ora. Non è incredibile?!

Giusto per fare un confronto, la distanza tra Salisburgo e New York è di 2,2 centesimi di secondi luce (circa 6600 chilometri). Di conseguenza, la luce impiega 2,2 centesimi di secondo per coprire questa distanza. La Terra dista dalla Luna poco più di un secondo luce (circa 384.400 chilometri) e dal Sole circa otto minuti luce (indicativamente 150 milioni di chilometri).

La stella più vicina si trova a oltre quattro anni luce, una distanza talmente enorme da risultare di diffìcile immaginazione: 41 miliardi di chilometri. Per capire meglio, immaginiamoci di ridurre tutto a dimensioni più piccole: se l’intero sistema solare fosse grande come un biscotto, la stella più vicina si troverebbe a una distanza pari a due campi da calcio e il Sole avrebbe le dimensioni di un granello di zucchero a velo, ossia minuscolo.

Il fatto che la nostra stella più vicina si trovi a quattro anni luce dal nostro pianeta significa anche che in cielo la vediamo per com’era quattro anni fa. Di conseguenza, osservando il firmamento ci affacciamo a una finestra aperta sul passato dell’Universo: il bagliore di una stella che vediamo oggi potrebbe essere stato emesso nell’anno in cui siamo nati o in cui Colombo scoprì l’America! Quanto più una stella è lontana da noi, tanto maggiore è il tempo che impiega la sua luce per raggiungere la Terra.

Come sul nostro pianeta, anche nello spazio cosmico è utile osservare con più attenzione quello che ci circonda per riuscire a orientarci meglio. La prima cosa che ci colpisce è ovviamente il Sole che, sebbene non sia la stella più grande, rappresenta un tesoro di fondamentale importanza per la nostra esistenza.

Il nostro Sole: una stella del tutto normale

In una notte buia, lontani dalle luci della città, possiamo vedere brillare in cielo circa 4000 stelle; considerando l’emisfero boreale e quello australe, sono in totale 9096. Ciascuna di esse è un sole. Per dirla in altri termini, il nostro Sole non è altro che una normalissima stella, sebbene sia di vitale importanza per l’intera umanità. L’energia proveniente dal Sole riscalda il nostro pianeta e permette, per esempio, la fotosintesi, processo attraverso il quale si produce l’ossigeno che respiriamo. E ciononostante, possiamo essere grati che le sue dimensioni non siano più grandi.

Per capirne il motivo, basta osservare una delle stelle maggiori, per esempio Betelgeuse, facile da individuare in cielo nella costellazione di Orione. Betelgeuse è una stella enorme, circa mille volte più grande e 20 volte più pesante del Sole. Se Betelgeuse prendesse il posto del nostro Sole, a causa della sua grandezza inghiottirebbe i pianeti interni del nostro sistema solare (Mercurio, Venere, Terra e Marte). Tuttavia, sebbene sia così grande ed emani una luce maggiore rispetto al Sole e alla maggior parte delle altre stelle, è solo la nona stella più brillante del cielo notturno e si trova a una distanza dalla Terra di 640 anni luce. Poiché la luce viaggia attraverso l’Universo ma si diffonde per onde sferiche in tutte le direzioni, essa deve illuminare una sfera immaginaria sempre maggiore via via che aumenta la distanza; ecco perché il concetto di più luminoso non corrisponde necessariamente a più caldo o più grande, ma spesso è associato a una maggior vicinanza. Ma come nascono le stelle?

E luce sia

Una stella nasce dal collasso di un enorme nube di gas formata da materiale interstellare e prevalentemente idrogeno ed elio. In un periodo di circa 10-15 milioni di anni la nube implode a causa della propria forza di gravità creando piccoli granuli denominati protostelle caldissime e rotanti. Una protostella è una stella la cui fusione del nucleo non è ancora iniziata e attorno alla quale ruota una miscela discoidale di materiale che non è stato inglobato dalla stella stessa. In un momento successivo, da questo disco gassoso e polveroso prendono forma i pianeti.

Gli strati superiori delle stelle sono soggetti alla forza di attrazione del nucleo comprimendo sempre più la protostella fino a quando nel nucleo si sviluppa una pressione e una temperatura tali (circa dieci milioni di gradi) da sovreccitare gli atomi di idrogeno che sbattono ad altissima velocità gli uni contro gli altri e fondono. In questo processo, quattro atomi di idrogeno si uniscono trasformandosi in un atomo di elio; tuttavia, i quattro atomi hanno una massa maggiore rispetto a quella dell’atomo di elio che deriva dalla loro fusione. Questa differenza di peso determina la luce emessa dalla stella poiché viene dispersa sotto forma di energia: secondo Einstein, infatti, la massa è uguale all’energia. Questa energia viene irradiata in superfìcie dal Sole e dalle altre stelle sotto forma di luce e calore.

In una splendida fotografìa dello spazio fatta da Hubble si può ammirare la nebulosa Aquila, una di queste “culle delle stelle”. Distante 6500 anni luce dal nostro pianeta, nella costellazione del Serpente, una sua parte è nota anche con il nome poetico di Pilastri della Creazione, ciascuno dei quali è lungo quattro anni luce. Vi immaginate? Perfino la luce impiega quattro anni per percorrerli da un capo all’altro. Queste formazioni da cui nascono centinaia di stelle sono enormi.

La stella è formata quando i suoi strati superiori continuano a essere attirati dal nucleo comprimendo la stella stessa, ma la pressione dovuta alla fusione nucleare riesce a controbilanciare questa forza di attrazione. Questo è anche il motivo della forma arrotondata delle stelle.

Come già descritto, le dimensioni possono variare notevolmente: più una stella ha massa, più calda e densa sarà al suo interno poiché ci sarà più materiale che comprime il nucleo. All’incremento della temperatura aumenta anche la velocità della fusione nucleare; di conseguenza, la stella impiega meno tempo a consumare il suo “carburante” nucleare e si spegne prima nonostante la sua enorme massa.

Al contrario, le stelle piccole nascono in quantità maggiore e vivono più a lungo rispetto alle loro vicine più grandi, perché hanno una massa minore che rende il loro interno più freddo e meno denso. Di conseguenza, anche la fusione nucleare si sviluppa più lentamente. Possiamo concludere, quindi, che le stelle più piccole siano molto più adatte alla vita perché garantiscono una durata maggiore.

L’età delle stelle

A questo punto abbiamo una stella adulta che vivrà per milioni o miliardi di anni, ma che a un certo punto diventerà vecchia. Quando la fusione nel nucleo si interrompe, la pressione che contrasta la forza di attrazione inizia a diminuire e il materiale stellare va a comprimere ancor più la stella causando un aumento della pressione e della temperatura. Attorno al nucleo gli atomi di idrogeno ancora presenti si fondono, il calore di questo strato fa aumentare la pressione e la stella si gonfia. Di conseguenza la sua superfìcie si raffredda e la stella diventa una gigante rossa. Il colore delle stelle permette agli astronomi di capire quanto calde sono: le stelle fredde sono rossastre, quelle calde gialle, quelle ancor più calde bianche e quelle bollenti azzurrognole. Il cambiamento di colore è dovuto al fatto che una stella molto calda emette più luce a una lunghezza d’onda più corta: infatti, il blu ha una lunghezza d’onda minore e molta energia, mentre il rosso ha una lunghezza d’onda maggiore e meno energia. Se osserviamo le braci di un falò, vedremo che quelle più fredde assumono una colorazione rossastra, mentre quelle più calde diventano biancastre. In questo modo gli scienziati riescono a misurare la temperatura delle stelle con il solo aiuto dei telescopi. Sebbene la temperatura superficiale di una gigante rossa diminuisca, essa sarà sempre più chiara poiché in questa fase della sua vita presenta dimensioni molto maggiori.

Via via che le stelle invecchiano, la temperatura nel nucleo continua ad aumentare a causa della pressione. Come già precisato, una stella si compone per la maggior parte di idrogeno (H) ed elio (He). A temperature più elevate avviene la fusione nel nucleo di atomi sempre più pesanti; a 100 milioni di gradi l’elio fonde trasformandosi in carbonio (l’elemento fondamentale degli esseri viventi che conosciamo) e in ossigeno (che respiriamo). Quando la temperatura interna raggiunge 600 milioni di gradi, il carbonio fonde e diventa magnesio (di cui si compongono le nostre ossa). Più la massa stellare è grande, più alta sarà la temperatura al suo interno e più pesanti saranno gli atomi che si possono formare e fondere attraverso il processo di fusione. Pertanto, le stelle che non hanno più idrogeno nel nucleo sembrano una cipolla: più vecchie sono le stelle con una grande massa, più sono gli strati in cui i diversi atomi fondono. Potremmo paragonarle agli anelli di accrescimento degli alberi che ci permettono di calcolarne l’età. L’elemento più pesante che può generarsi in questo modo all’interno di una stella di grandi dimensioni come Betelgeuse è il ferro: in questo caso la fusione si interrompe e si verificano esplosioni cosmiche.

Esplosioni cosmiche: è tutta una questione di massa

Le stelle minori, con una massa massima pari al 30 percento del nostro Sole, si spengono dopo che l’idrogeno si è fuso in elio nel nucleo e nello strato attorno al nucleo stesso, collassando e trasformandosi in un piccolo corpo celeste del diametro di alcune migliaia di chilometri (le cosiddette nane bianche). Queste continuano a raffreddarsi fino a non emettere più luce e a essere praticamente morte: a questo punto vengono definite nane nere.

Questo testo è estratto dal libro "Siamo Soli nell'Universo?".

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