C'è qualcosa in loro che ci incuriosisce tutti. Molte delle religioni dell'umanità possono essere legate all'adorazione di queste candele celesti. Per gli egiziani, il sole era rappresentativo del dio Ra, che ogni giorno sconfiggeva la notte e portava luce e calore nelle terre. Per i Greci, fu Apollo a guidare il suo carro fiammeggiante attraverso il cielo, illuminando il mondo. Anche nel cristianesimo, si può dire che Gesù sia rappresentativo del sole date le caratteristiche sorprendenti che la sua storia racchiude in antiche credenze e figure astrologiche. In effetti, molte delle antiche credenze seguono un percorso simile, che legano tutte le loro origini a quello del culto del sole e delle stelle.
L'umanità prosperava dalle stelle nel cielo notturno perché riconosceva una correlazione nel modello in cui certe formazioni di stelle (note come costellazioni) rappresentavano tempi specifici nel ciclo annuale. Uno dei quali significava che presto si sarebbe riscaldato, il che ha portato alla semina del cibo. Le altre costellazioni hanno predetto l'arrivo di a
periodo più freddo, quindi sei stato in grado di iniziare a conservare cibo e raccogliere legna da ardere. Avanzando nel viaggio dell'umanità, le stelle sono diventate quindi un modo di navigare. Navigare per le stelle era il modo di spostarsi e dobbiamo la nostra prima esplorazione alla nostra comprensione delle costellazioni. Per molte decine di migliaia di anni in cui gli occhi umani hanno guardato verso l'alto verso il cielo, non è stato fino a tempi relativamente recenti che abbiamo iniziato a comprendere appieno quali fossero le stelle in realtà, da dove provenivano e come vivevano e morivano. Questo è ciò di cui discuteremo in questo articolo. Vieni con me mentre ci avventuriamo in profondità nel cosmo e siamo testimoni della fisica scritta, mentre copro il modo in cui una stella nasce, vive e alla fine muore.
Iniziamo il nostro viaggio viaggiando nell'universo alla ricerca di qualcosa di speciale. Siamo alla ricerca di una struttura unica in cui siano presenti sia le giuste circostanze che gli ingredienti. Stiamo cercando quella che l'astronomo chiama una Nebulosa Oscura. Sono sicuro che hai già sentito parlare di nebulose e senza dubbio le hai viste. Molte delle incredibili immagini che il telescopio spaziale Hubble ha ottenuto sono di bellissime nuvole di gas, che brillano sullo sfondo di miliardi di stelle. I loro colori vanno dai rossi profondi, ai blu vibranti e persino ad alcuni verdi inquietanti. Questo non è il tipo di nebulosa che stiamo cercando però. La nebulosa di cui abbiamo bisogno è scura, opaca e molto, molto fredda.
Puoi chiederti: "Perché stiamo cercando qualcosa di oscuro e freddo quando le stelle sono luminose e calde?"
In effetti, questo è qualcosa che sembrerebbe inizialmente sconcertante. Perché qualcosa deve essere freddo prima che possa diventare estremamente caldo? Innanzitutto, dobbiamo coprire qualcosa di elementare su ciò che chiamiamo Medio Interstellare (ISM), o lo spazio tra le stelle. Lo spazio non è vuoto come implicherebbe il nome. Lo spazio contiene sia gas che polvere. Il gas a cui ci riferiamo principalmente è l'idrogeno, l'elemento più abbondante nell'universo. Poiché l'universo non è uniforme (la stessa densità di gas e polvere su ogni metro cubo), ci sono sacche di spazio che contengono più gas e polvere di altre. Questo fa sì che la gravità manipoli queste tasche per unirsi e formare ciò che vediamo come nebulose. Molte cose vanno nella creazione di queste diverse nebulose, ma quella che stiamo cercando, una Nebulosa Oscura, possiede proprietà molto speciali. Ora, immergiamoci in una di queste nebulose oscure e vediamo cosa sta succedendo.
Mentre scendiamo attraverso gli strati esterni di questa nebulosa, notiamo che la temperatura del gas e della polvere è molto bassa. In alcune nebulose, le temperature sono molto calde. Più particelle si urtano l'un l'altro, eccitate dall'assorbimento e dall'emissione di radiazioni esterne ed interne, significa temperature più elevate. Ma in questa Nebulosa Oscura sta accadendo il contrario. Le temperature stanno diminuendo ulteriormente nella nuvola che otteniamo. Il motivo per cui queste Nebulose Oscure hanno proprietà specifiche che lavorano per creare un grande vivaio stellare ha a che fare con le proprietà di base della nebulosa e il tipo di regione in cui esiste la nuvola, a cui sono associati alcuni concetti difficili che non illustrerò completamente Qui. Includono la regione in cui si formano le nuvole molecolari che sono chiamate Regioni di idrogeno neutro e le proprietà di queste regioni hanno a che fare con i valori di spin dell'elettrone, insieme con le interazioni del campo magnetico che influenzano detti elettroni. I tratti che tratterò sono ciò che consente a questa particolare nebulosa di essere matura per la formazione stellare.
Escludendo la complessa scienza alla base di ciò che aiuta a formare queste nebulose, possiamo iniziare a rispondere alla prima domanda sul perché dobbiamo diventare più freddi per diventare più caldi. La risposta arriva alla gravità. Quando le particelle vengono riscaldate o eccitate, si muovono più velocemente. Una nuvola con energia sufficiente conterrà troppa quantità di moto tra ciascuna delle particelle di polvere e gas perché si verifichi qualsiasi tipo di formazione. Come nel caso, se i granelli di polvere e gli atomi di gas si muovono troppo rapidamente, rimbalzano semplicemente l'uno dall'altro o si sparano l'uno accanto all'altro, senza mai raggiungere alcun tipo di legame. Senza questa interazione, non puoi mai avere una stella. Tuttavia, se le temperature sono abbastanza fredde, le particelle di gas e polvere si muovono così lentamente che la loro gravità reciproca consentirà loro di iniziare a "aderire" insieme. È questo processo che consente alla protostar di iniziare a formarsi.
Generalmente ciò che fornisce energia per consentire il movimento più veloce delle particelle in queste nuvole molecolari è la radiazione. Certamente, c'è radiazione che arriva da tutte le direzioni in ogni momento nell'universo. Come vediamo con altre nebulose, brillano di energia e le stelle non nascono tra queste nuvole di gas caldo. Sono riscaldati dalle radiazioni esterne di altre stelle e dal proprio calore interno. In che modo questa Nebulosa Oscura impedisce alle radiazioni esterne di riscaldare il gas nella nuvola e di indurlo a muoversi troppo velocemente perché la gravità si impigli? Qui è dove
entra in gioco la natura opaca di queste Nebulose Oscure. L'opacità è la misura di quanta luce è in grado di muoversi attraverso un oggetto. Più materiale nell'oggetto o più spesso è l'oggetto, meno luce è in grado di penetrarlo. La luce a frequenza più elevata (raggi gamma, raggi X e raggi UV) e persino le frequenze visibili sono influenzate maggiormente dalle spesse sacche di gas e polvere. Solo i tipi di luce a bassa frequenza, inclusi infrarossi, microonde e onde radio, hanno successo nel penetrare nuvole di gas come queste, e persino sono un po 'sparse in modo che generalmente non contengano abbastanza energia per iniziare a distruggere questo precario processo di formazione stellare. Pertanto, le porzioni interne delle nuvole di gas oscure sono effettivamente "schermate" dalle radiazioni esterne che interrompono altre nebulose meno opache. Meno radiazioni entrano nella nuvola, più basse sono le temperature del gas e della polvere al suo interno. Le temperature più fredde significano meno movimento delle particelle all'interno della nuvola, che è la chiave per ciò di cui discuteremo in seguito.
Infatti, mentre scendiamo verso il nucleo di questa nuvola molecolare scura, notiamo che sempre meno luce visibile arriva ai nostri occhi e con filtri speciali, possiamo vedere che questo è vero per altre frequenze di luce. Di conseguenza, la temperatura del cloud è molto bassa. Vale la pena notare che il processo di formazione stellare richiede molto tempo e, nell'interesse di non farti leggere per centinaia di migliaia di anni, ora avremo un tempo di avanzamento rapido. In poche migliaia di anni, la gravità ha assorbito una discreta quantità di gas e polvere dalla nuvola molecolare circostante, facendola aggregare insieme. Le particelle di polvere e gas, ancora protette dalle radiazioni esterne, sono libere di unirsi naturalmente e "aderire" a queste basse temperature. Alla fine, inizia a succedere qualcosa di interessante. La gravità reciproca di questa sfera sempre crescente di gas e polvere inizia un effetto a palla di neve (o a stella). Più strati di gas e polvere vengono coagulati insieme, più denso diventa l'interno di questo protostar. Questa densità aumenta la forza gravitazionale vicino alla protostar, tirando così più materiale al suo interno. Con ogni granello di polvere e atomo di idrogeno che si accumula, la pressione all'interno di questa sfera di gas aumenta.
Se ricordi qualcosa di qualsiasi classe di chimica che hai mai preso, potresti ricordare una relazione molto speciale tra pressione e temperatura quando hai a che fare con un gas. Viene in mente PV = nRT, la legge del gas ideale. Escludendo il valore scalare costante 'n' e la costante di gas R ({8.314 J / mol x K}), e risolvendo per la temperatura (T), otteniamo T = PV, il che significa che la temperatura di una nuvola di gas è direttamente proporzionale incalzare. Se si aumenta la pressione, si aumenta la temperatura. Il nucleo di questa futura stella che risiede in questa Nebulosa Oscura sta diventando molto denso e la pressione è alle stelle. Secondo quanto abbiamo appena calcolato, ciò significa che anche la temperatura sta aumentando.
Ancora una volta consideriamo questa nebulosa per il prossimo passo. Questa nebulosa ha una grande quantità di polvere e gas (quindi è opaca), il che significa che ha un sacco di materiale per alimentare la nostra protostar. Continua a aspirare gas e polvere dall'ambiente circostante e inizia a riscaldarsi. Le particelle di idrogeno nel nucleo di questo oggetto rimbalzano così velocemente da rilasciare energia nella stella. Il protostar inizia a diventare molto caldo e ora brilla di radiazioni (generalmente a infrarossi). A questo punto, la gravità sta ancora attirando più gas e polvere che si stanno aggiungendo alle pressioni esercitate in profondità all'interno del nucleo di questo protostar. Il gas della Nebulosa Oscura continuerà a collassare su se stesso fino a quando succederà qualcosa di importante. Quando non rimane quasi nulla vicino alla stella per cadere sulla sua superficie, inizia a perdere energia (a causa della sua irradiazione come luce). Quando ciò accade, quella forza esterna diminuisce e la gravità inizia a contrarre la stella più velocemente. Ciò aumenta notevolmente la pressione nel nucleo di questo protostar. Man mano che la pressione aumenta, la temperatura nel nucleo raggiunge un valore cruciale per il processo a cui stiamo assistendo. Il nucleo del protostar è diventato così denso e caldo che raggiunge circa 10 milioni di Kelvin. Per metterlo in prospettiva, questa temperatura è circa 1700 volte più calda della superficie del nostro sole (circa 5800 K). Perché 10 milioni di Kelvin sono così importanti? Perché a quella temperatura, può verificarsi la fusione termonucleare dell'idrogeno e, una volta iniziata la fusione, questa stella neonata si “accende” e esplode in vita, inviando grandi quantità di energia in tutte le direzioni.
Nel nucleo, fa così caldo che gli elettroni che si avvicinano ai nuclei del protone dell'idrogeno vengono rimossi (ionizzati) e tutto ciò che hai sono protoni in movimento libero. Se la temperatura non è abbastanza calda, questi protoni volanti liberi (che hanno cariche positive), si distenderanno semplicemente l'un l'altro. Tuttavia, a 10 milioni di Kelvin, i protoni si stanno muovendo così velocemente che possono avvicinarsi abbastanza da consentire alla Forza nucleare forte di prendere il sopravvento, e quando lo fanno i protoni dell'idrogeno iniziano a sbattere l'uno contro l'altro con abbastanza forza da fondersi insieme, creando Atomi di elio e rilascio di molta energia sotto forma di radiazione. È una reazione a catena che può essere riassunta quando 4 protoni producono 1 atomo di elio + energia. Questa fusione è ciò che accende la stella e la fa “bruciare”. L'energia liberata da questa reazione aiuta gli altri protoni dell'idrogeno a fondersi e fornisce anche l'energia per impedire alla stella di collassare su se stessa. L'energia che fuoriesce da questa stella in tutte le direzioni proviene dal nucleo e gli strati successivi di questa giovane stella trasmettono tutto il calore a modo loro (usando i metodi di radiazione e convezione a seconda del tipo di stella nata) .
Ciò a cui abbiamo assistito ora, dall'inizio del nostro viaggio, quando ci siamo immersi in quella fredda Nebulosa Oscura, è la nascita di una giovane stella calda. La nebulosa proteggeva questa stella da radiazioni erranti che avrebbero interrotto questo processo, oltre a fornire l'ambiente gelido necessario alla gravità per afferrare e far funzionare la sua magia. Quando abbiamo assistito alla forma del protostar, potremmo anche aver visto qualcosa di incredibile. Se il contenuto di questa nebulosa è giusto, come ad esempio avere una grande quantità di metalli pesanti e silicati (lasciati dalle supernove di stelle precedenti e più massicce) ciò che potremmo iniziare a vedere sarebbe la formazione planetaria che si svolgerà nel disco di accrescimento di materiale attorno alla protostar.
Il gas e la polvere rimanenti nelle vicinanze della nostra nuova stella inizierebbero a formare fitte tasche con lo stesso meccanismo di
la gravità, potendo infine entrare nei protopianeti che saranno costituiti da gas o silicati e metallo (o una combinazione dei due). Detto questo, la formazione planetaria è ancora in qualche modo un mistero per noi, poiché sembrano esserci cose che non possiamo ancora spiegare al lavoro. Ma questo modello di formazione del sistema stellare sembra funzionare bene.
La vita della stella non è così eccitante quanto la sua nascita o morte. Continueremo a far avanzare rapidamente l'orologio e vedremo evolvere questo sistema stellare. Nel giro di pochi miliardi di anni, i resti della Nebulosa Oscura sono stati fatti a pezzi e hanno anche formato altre stelle come quella a cui abbiamo assistito, e non esiste più. I pianeti che abbiamo visto formarsi mentre cresceva il protostar iniziano la loro danza di miliardi di anni attorno alla loro stella madre. Forse su uno di questi mondi, un mondo che si trova alla giusta distanza dalla stella, esiste acqua liquida. All'interno di quell'acqua contiene gli amminoacidi necessari per le proteine (tutti composti da elementi lasciati dalle precedenti eruzioni stellari). Queste proteine sono in grado di collegarsi insieme per iniziare a formare catene di RNA, quindi catene di DNA. Forse a un certo punto qualche miliardo di anni dopo la nascita della stella, vediamo una specie spaziale lanciarsi nel cosmo, o forse non lo raggiungono mai per vari motivi e rimangono legati al pianeta. Naturalmente questa è solo una speculazione per il nostro divertimento. Tuttavia, ora arriviamo alla fine del nostro viaggio iniziato miliardi di anni fa. La stella inizia a morire.
L'idrogeno nel suo nucleo viene fuso nell'elio, che nel tempo esaurisce l'idrogeno; la stella sta finendo il gas. Dopo molti anni, il processo di fusione dell'idrogeno inizia a fermarsi e la stella emette sempre meno energia. Questa mancanza di pressione esterna dal processo di fusione sconvolge quello che chiamiamo equilibrio idrostatico e consente alla gravità (che cerca sempre di schiacciare la stella) di vincere. La stella inizia a ridursi rapidamente sotto il suo stesso peso. Ma, come abbiamo discusso in precedenza, all'aumentare della pressione, aumenta anche la temperatura. Tutto quell'elio rimasto
dai miliardi di anni di fusione dell'idrogeno ora inizia a riscaldarsi nel nucleo. L'elio si fonde a una temperatura molto più calda rispetto all'idrogeno, il che significa che il nucleo ricco di elio è in grado di essere premuto all'interno per gravità senza fondersi (ancora). Poiché la fusione non sta avvenendo nel nucleo di elio, la forza esterna (emessa dalla fusione) è scarsa o assente per impedire il collasso del nucleo. Questa materia diventa molto più densa, che ora definiamo degenerata, e sta espellendo enormi quantità di calore (l'energia gravitazionale diventa energia termica). Questo fa sì che l'idrogeno residuo che si trova negli strati successivi sopra il nucleo di elio si fonda, facendo sì che la stella si espanda notevolmente mentre questo guscio di idrogeno brucia fuori controllo. Questo rende la stella "rimbalzo" e si espande rapidamente; la fusione più energica dai gusci di idrogeno all'esterno del nucleo espande notevolmente il diametro della stella. La nostra stella è ora un gigante rosso. Alcuni, se non tutti, i pianeti interni a cui siamo stati testimoni saranno inceneriti e inghiottiti dalla stella che per prima ha dato loro la vita. Se ci fosse una vita su uno di quei pianeti che non sono riusciti a lasciare il loro mondo natale, sarebbero certamente cancellati dall'universo, senza mai essere conosciuti.
Questo processo di esaurimento della stella (prima idrogeno, poi elio, ecc.) Continuerà per un po '. Alla fine, l'elio nel nucleo raggiungerà una certa temperatura e inizierà a fondersi con il carbonio, che rimanderà il collasso (e la morte) della stella. La stella che stiamo attualmente guardando dal vivo e morire è una stella di sequenza principale di medie dimensioni, quindi la sua vita finisce quando ha finito di fondere l'elio in
Carbonio. Se la stella fosse molto più grande, questo processo di fusione procederebbe fino a quando non avessimo raggiunto Iron. Il ferro è l'elemento in cui la fusione non ha luogo spontaneamente, il che significa che richiede più energia per fonderla di quella che emette dopo la fusione. Tuttavia, la nostra stella non arriverà mai a Iron nel suo nucleo, e quindi è morta dopo aver esaurito il suo serbatoio di elio. Quando il processo di fusione "si spegne" (senza gas), la stella inizia lentamente a raffreddarsi e gli strati esterni della stella si espandono e vengono espulsi nello spazio. Le successive espulsioni di materiale stellare continuano a creare quella che chiamiamo una nebulosa planetaria, e tutto ciò che rimane della stella un tempo brillante che abbiamo visto sorgere è ora solo una palla di carbonio denso che continuerà a raffreddarsi per il resto dell'eternità, forse cristallizzando in diamante.
La morte a cui abbiamo assistito in questo momento non è l'unico modo in cui una stella muore. Se una stella è sufficientemente grande, la sua morte è molto più violenta. La stella esploderà nella più grande esplosione dell'universo, chiamata supernova. A seconda di molte variabili, il residuo della stella potrebbe finire come una stella di neutroni o addirittura un buco nero. Ma per la maggior parte di quelle che chiamiamo Star di sequenza principale di dimensioni medie, la morte a cui abbiamo assistito sarà il loro destino.
Il nostro viaggio termina con noi meditando su ciò che abbiamo osservato. Vedere esattamente ciò che la natura può fare date le giuste circostanze e guardare una nuvola di gas e polvere molto freddi trasformarsi in qualcosa che ha il potenziale per respirare la vita nel cosmo. Le nostre menti tornano a quella specie che potrebbe essersi evoluta su uno di quei pianeti. Pensi a come potrebbero aver attraversato fasi simili a noi. Forse usando le stelle come divinità soprannaturali che hanno guidato le loro credenze per migliaia di anni, sostituendo le risposte a dove regnava la loro ignoranza. Queste credenze potrebbero eventualmente trasformarsi in religioni, cogliendo ancora quella nozione di selezione speciale e pensiero magnanimo. Le stelle alimenterebbero il loro desiderio di comprendere l'universo come le stelle hanno fatto per noi? La tua mente medita quindi quale sarà il nostro destino se non tentiamo di fare il passo successivo nell'universo. Dobbiamo permettere alla nostra specie di essere cancellata dal cosmo mentre la nostra stella si espande nella sua morte? Questo viaggio che hai appena compiuto nel cuore di una Nebulosa Oscura esemplifica veramente ciò che la mente umana può fare e ti mostra fino a che punto siamo arrivati, anche se siamo ancora legati al nostro sistema solare. Le cose che hai imparato sono state trovate da altri come te semplicemente chiedendo come accadono le cose e portando a nudo l'intero peso della nostra conoscenza della fisica. Immagina cosa possiamo realizzare se continuiamo questo processo; essere in grado di raggiungere pienamente il nostro posto tra le stelle.
