Il nostro cielo è ricoperto da un mare di fantasmi stellari; tutti i potenziali fantasmi che sono morti da milioni di anni e ancora non lo sappiamo ancora. Questo è ciò di cui discuteremo oggi. Cosa succede alla più grande delle nostre stelle e in che modo influenza la composizione stessa dell'universo in cui risiediamo.
Iniziamo questo viaggio osservando la Nebulosa del Granchio. I suoi bellissimi colori si estendono verso l'esterno nel vuoto oscuro; una tomba celeste contenente un evento violento che si è verificato millenni fa. Allunga la mano e, con un semplice movimento del polso, inizi a riavvolgere il tempo e guarda queste meravigliose nebulose che iniziano a ridursi. Mentre l'orologio si sposta all'indietro, i colori della nebulosa iniziano a cambiare e noti che si stanno riducendo in un unico punto. Mentre il calendario si avvicina al 5 luglio 1054, la nuvola gassosa si illumina e si deposita su un singolo punto nel cielo che è luminoso come la luna piena ed è visibile durante il giorno. La luminosità si attenua e alla fine c'è un punto di luce; una stella che non vediamo oggi. Questa stella è morta, tuttavia in questo momento non lo avremmo saputo. A un osservatore prima di questa data, questa stella appariva eterna, come tutte le altre stelle. Tuttavia, come sappiamo dal nostro punto di vista privilegiato, questa stella sta per diventare una supernova e nascerà una delle nebulose più spettacolari che osserviamo oggi.
I fantasmi stellari sono un modo appropriato per descrivere molte delle enormi stelle che vediamo sparse in tutto l'universo. Ciò che molti non capiscono è che quando guardiamo in profondità nell'universo, non solo guardiamo attraverso vaste distanze, ma guardiamo indietro nel tempo. Una delle proprietà fondamentali dell'universo che conosciamo abbastanza bene è che la luce viaggia a una velocità finita: circa 300.000.000 m / s (circa 671.000.000 mph). Questa velocità è stata determinata attraverso numerosi test rigorosi e prove fisiche. In effetti, comprendere questa costante fondamentale è la chiave di gran parte di ciò che sappiamo sull'universo, specialmente per quanto riguarda sia la relatività generale sia la meccanica quantistica. Nonostante ciò, conoscere la velocità della luce è la chiave per capire cosa intendo per fantasmi stellari. Vedete, le informazioni si muovono alla velocità della luce. Usiamo la luce delle stelle per osservarle e da questo capire come funzionano.
Un esempio decente di questo ritardo è il nostro sole. Il nostro sole è a circa 8 minuti luce di distanza. Ciò significa che la luce che vediamo dalla nostra stella impiega 8 minuti per compiere il viaggio dalla sua superficie ai nostri occhi sulla terra. Se il nostro sole dovesse scomparire improvvisamente in questo momento, non lo sapremmo per 8 minuti; questo non include solo la luce che vediamo, ma anche la sua influenza gravitazionale che ci viene esercitata. Quindi se il sole svanisse proprio ora, continueremmo nel nostro percorso orbitale attorno alla nostra stella ora inesistente per altri 8 minuti prima che le informazioni gravitazionali ci raggiungessero per informarci che non siamo più legati gravitazionalmente ad essa. Questo stabilisce il nostro limite di velocità cosmica per quanto velocemente possiamo ricevere informazioni, il che significa che tutto ciò che osserviamo in profondità nell'universo ci arriva dato che era una "x" quantità di anni fa, dove "x" è la sua distanza di luce da noi. Ciò significa che osserviamo una stella che dista 10 anni luce da noi come 10 anni fa. Se quella stella fosse morta in questo momento, non lo sapremmo per altri 10 anni. Quindi, possiamo definirlo un "fantasma stellare"; una stella morta dalla sua prospettiva nella sua posizione, ma ancora viva e vegeta nella nostra.
Come spiegato in un mio precedente articolo (Stars: A Day in the Life), l'evoluzione di una stella è complessa e altamente dinamica. Molti fattori svolgono un ruolo importante in tutto, dal determinare se la stella si formerà anche in primo luogo, alla dimensione e quindi alla vita di detta stella. Nel precedente articolo di cui sopra, tratterò le basi della formazione stellare e la vita di quelle che chiamiamo stelle di sequenza principali, o piuttosto stelle che sono molto simili al nostro sole. Mentre il processo di formazione e la vita di una stella di sequenza principale e le stelle di cui discuteremo sono abbastanza simili, ci sono differenze importanti nel modo in cui le stelle che esamineremo muoiono. Le morti delle stelle in sequenza principale sono interessanti, ma difficilmente si confrontano con i modi di flessione dello spazio-tempo che terminano queste stelle più grandi.
Come accennato in precedenza, mentre osservavamo la stella scomparsa che si trovava al centro della Nebulosa del Granchio, c'era un punto in cui questo oggetto brillava come la luna piena e poteva essere visto durante il giorno. Cosa potrebbe far sì che qualcosa diventi così luminoso da essere paragonabile al nostro vicino celeste più vicino? Considerando la Nebulosa del Granchio a 6.523 anni luce di distanza, ciò significava che qualcosa che è circa 153 miliardi di volte più lontana della nostra luna splendeva brillante come la luna. Questo perché la stella divenne supernova quando morì, che è il destino delle stelle che sono molto più grandi del nostro sole. Le stelle più grandi del nostro sole finiranno in due stati molto estremi dopo la sua morte: stelle di neutroni e buchi neri. Entrambi sono argomenti degni che potrebbero durare settimane in un corso di astrofisica, ma oggi per noi andremo semplicemente su come si formano questi mostri gravitazionali e cosa significa per noi.
La vita di una stella è una storia di fusione quasi in fuga contenuta dalla morsa della sua stessa presenza gravitazionale. Chiamiamo questo equilibrio idrostatico, in cui la pressione esterna dagli elementi di fusione nel nucleo di una stella è uguale a quella della pressione gravitazionale interna che viene applicata a causa della massa della stella. Nel nucleo di tutte le stelle, l'idrogeno viene fuso in elio (all'inizio). Questo idrogeno proviene dalla nebulosa da cui è nata la stella, che si è coalizzata e collassata, dando alla stella la prima possibilità di vita. Per tutta la vita della stella, l'idrogeno verrà utilizzato e sempre più "cenere" di elio si condenserà al centro della stella. Alla fine, la stella si esaurirà l'idrogeno e la fusione si fermerà brevemente. Questa mancanza di pressione esterna dovuta all'assenza temporanea di fusione consente alla gravità di vincere e schiaccia la stella verso il basso. Man mano che la stella si restringe, la densità e quindi la temperatura nel nucleo della stella aumenta. Alla fine, raggiunge una certa temperatura e la cenere di elio inizia a fondersi. È così che tutte le stelle procedono per tutta la parte principale della sua vita e nelle prime fasi della sua morte. Tuttavia, è qui che le stelle a grandezza solare e le stelle massicce di cui stiamo discutendo in parte.
Una stella che è approssimativamente vicina alle dimensioni del nostro sole attraverserà questo processo fino a raggiungere il carbonio. Le stelle di queste dimensioni semplicemente non sono abbastanza grandi per fondere il carbonio. Pertanto, quando tutto l'elio è stato fuso in ossigeno e carbonio (attraverso due processi che sono troppo complessi per coprire qui), la stella non può "schiacciare" l'ossigeno e il carbonio abbastanza per iniziare la fusione, la gravità vince e la stella muore. Ma le stelle che hanno una massa sufficientemente maggiore del nostro sole (circa 7 volte la massa) possono continuare oltre questi elementi e continuare a brillare. Hanno abbastanza massa per continuare questo processo di "schiacciamento e fusione" che è l'interazione dinamica nel cuore di queste fornaci celesti.
Queste stelle più grandi continueranno il loro processo di fusione oltre il carbonio e l'ossigeno, oltre il silicio, fino a raggiungere il ferro. Il ferro è la nota di morte cantata da questi colossi ardenti, come quando il ferro inizia a riempire il loro nucleo ormai moribondo, la stella è nei suoi lanci mortali. Ma queste enormi strutture di energia non vanno silenziosamente nella notte. Esse escono nel modo più spettacolare. Quando l'ultimo degli elementi non di ferro si fonde nei loro nuclei, la stella inizia il suo decente nell'oblio. La stella si schianta su se stessa in quanto non ha modo di evitare l'impugnatura implacabile della gravità, schiacciando gli strati successivi di elementi rimasti sulla sua vita. Questa caduta libera interiore si incontra a una certa dimensione con una forza impossibile da violare; una pressione di degenerazione dei neutroni che costringe la stella a rimbalzare verso l'esterno. Questa enorme quantità di energia gravitazionale e cinetica ritorna con una furia che illumina l'universo, superando intere galassie in un istante. Questa furia è il sangue vitale del cosmo; il tamburo batte nella sinfonia galattica, poiché questa intensa energia consente la fusione di elementi più pesanti del ferro, fino all'uranio. Questi nuovi elementi vengono fatti esplodere verso l'esterno da questa forza straordinaria, cavalcando le onde di energia che li proiettano in profondità nel cosmo, seminando l'universo con tutti gli elementi di cui siamo a conoscenza.
Ma cosa rimane? Cosa c'è dopo questo spettacolare evento? Tutto dipende nuovamente dalla massa della stella. Come accennato in precedenza, le due forme che assume una stella massiccia morta sono una stella di neutroni o un buco nero. Per una stella di neutroni, la formazione è piuttosto complessa. Fondamentalmente, gli eventi che ho descritto si verificano, tranne dopo che le supernove sono rimaste solo una sfera di neutroni degenerati. Degenerato è semplicemente un termine che applichiamo a una forma che la materia assume quando viene compressa ai limiti consentiti dalla fisica. Qualcosa che è degenerato è intensamente denso, e questo è molto vero per una stella di neutroni. Un numero che potresti aver sentito sballottare è che un cucchiaino di materiale a stella di neutroni peserebbe circa 10 milioni di tonnellate e avrebbe una velocità di fuga (la velocità necessaria per allontanarsi dalla sua attrazione gravitazionale) a circa .4c, o il 40% della velocità di luce. A volte la stella di neutroni viene lasciata girare a velocità incredibili e le etichettiamo come pulsar; il nome deriva da come li rileviamo.
Questi tipi di stelle generano MOLTE radiazioni. Le stelle di neutroni hanno un enorme campo magnetico. Questo campo accelera gli elettroni nelle loro atmosfere stellari a velocità incredibili. Questi elettroni seguono le linee del campo magnetico della stella di neutroni verso i suoi poli, dove possono rilasciare onde radio, raggi X e raggi gamma (a seconda del tipo di stella di neutroni che è). Poiché questa energia viene concentrata sui poli, crea una sorta di effetto faro con raggi ad alta energia che agiscono come i raggi di luce di un faro. Mentre la stella ruota, questi raggi si spostano più volte al secondo. Se la Terra, e quindi il nostro equipaggiamento di osservazione, risulta orientato favorevolmente con questa pulsar, registreremo questi "impulsi" di energia mentre i raggi delle stelle ci investono. Per tutte le pulsar che conosciamo, siamo troppo lontani perché questi fasci di energia ci facciano del male. Ma se fossimo vicini a una di queste stelle morte, questa radiazione che lava continuamente sul nostro pianeta comporterebbe una certa estinzione per la vita come la conosciamo.
Quale altra forma ha una stella morta; un buco nero? Come succede? Se il materiale degenerato è quanto più possiamo schiacciare la materia, come appare un buco nero? In parole povere, i buchi neri sono il risultato di una stella inimmaginabilmente grande e quindi una quantità davvero enorme di materia che è in grado di "spezzare" questa pressione di degenerazione dei neutroni dopo il collasso. La stella essenzialmente cade verso l'interno con una forza tale da violare questo limite apparentemente fisico, rigirandosi su se stessa e avvolgendo lo spaziotempo in un punto di densità infinita; una singolarità. Questo straordinario evento si verifica quando una stella ha circa 18 volte la quantità di massa che il nostro sole ha, e quando muore, è davvero l'epitome della fisica andato all'estremo. Questo "extra bit di massa" è ciò che gli consente di far collassare questa sfera di neutroni degenerati e cadere verso l'infinito. È sia terrificante che bello pensare; un punto nello spazio-tempo che non è del tutto compreso dalla nostra fisica, eppure esiste qualcosa che sappiamo. La cosa davvero straordinaria dei buchi neri è che è come l'universo che lavora contro di noi. Le informazioni di cui abbiamo bisogno per comprendere appieno i processi all'interno di un buco nero sono bloccate dietro un velo che chiamiamo l'orizzonte degli eventi. Questo è il punto di non ritorno per un buco nero, per il quale qualsiasi cosa oltre questo punto nello spaziotempo non ha percorsi futuri che ne conducano fuori. Nulla sfugge a questa distanza dalla stella crollata nel suo nucleo, nemmeno la luce, e quindi nessuna informazione lascia mai questo confine (almeno non in una forma che possiamo usare). Il cuore oscuro di questo oggetto davvero sorprendente lascia molto a desiderare e ci tenta ad attraversare il suo regno per cercare di conoscere l'inconoscibile; per cogliere il frutto dall'albero della conoscenza.
Ora bisogna dire che c'è ancora molto da fare nel campo della ricerca con i buchi neri. Fisici come il professor Stephen Hawking, tra gli altri, hanno lavorato instancabilmente sulla fisica teorica dietro il funzionamento di un buco nero, tentando di risolvere i paradossi che compaiono spesso quando proviamo a utilizzare il meglio della nostra fisica contro di loro. Ci sono molti articoli e articoli su tale ricerca e le loro scoperte successive, quindi non mi immergerò nelle loro complessità sia per il desiderio di preservare la semplicità nella comprensione, sia per non togliere le menti sorprendenti che stanno lavorando a questi problemi. Molti suggeriscono che la singolarità è una curiosità matematica che non rappresenta completamente ciò che accade fisicamente. Che la materia all'interno di un orizzonte degli eventi può assumere forme nuove ed esotiche. Vale anche la pena notare che nella Relatività Generale, qualsiasi cosa con massa può collassare in un buco nero, ma generalmente ci atteniamo a una serie di masse poiché la creazione di un buco nero con qualsiasi cosa inferiore a quella gamma di massa è oltre la nostra comprensione di come potrebbe accadere. Ma come persona che studia fisica, non vorrei menzionare che da ora in poi, siamo a un'interessante sezione trasversale di idee che trattano molto intimamente di ciò che sta realmente accadendo all'interno di questi spettri di gravità.
Tutto ciò mi riporta a un punto che deve essere chiarito. Un fatto che deve essere riconosciuto. Mentre descrivevo la morte di queste enormi stelle, ho toccato qualcosa che si verifica. Mentre la stella viene strappata via dalla sua stessa energia e il suo contenuto viene espulso verso l'esterno nell'universo, sta accadendo qualcosa chiamato nucleosintesi. Questa è la fusione di elementi per creare nuovi elementi. Dall'idrogeno fino all'uranio. Questi nuovi elementi vengono fatti esplodere verso l'esterno con una velocità incredibile, e quindi tutti questi elementi alla fine troveranno la loro strada verso le nuvole molecolari. Le nuvole molecolari (Nebulose oscure) sono i vivai stellari del cosmo. Questo è dove iniziano le stelle. E dalla formazione stellare, otteniamo la formazione planetaria.
Mentre una stella si forma, una nuvola di detriti che è formata dalla nuvola molecolare che ha generato la stella inizia a girare attorno ad essa. Questa nuvola, come ora sappiamo, contiene tutti quegli elementi che sono stati cucinati nelle nostre supernove. Il carbonio, l'ossigeno, i silicati, l'argento, l'oro; tutti presenti in questa nuvola. Questo disco di accrescimento su questa nuova stella è il luogo in cui si formano i pianeti, che si fondono in questo ambiente arricchito. Sfere di roccia e ghiaccio si scontrano, si accumulano, vengono lacerate e poi riformate mentre la gravità lavora le sue mani diligenti per plasmare questi nuovi mondi in isole di possibilità. Questi pianeti sono formati da quegli stessi elementi che sono stati sintetizzati in quell'eruzione cataclismica. Questi nuovi mondi contengono i progetti per la vita come la conosciamo.
Su uno di questi mondi, si verifica una certa miscela di idrogeno e ossigeno. All'interno di questa miscela, alcuni atomi di carbonio si formano per creare catene replicanti che seguono un modello semplice. Forse dopo miliardi di anni, quegli stessi elementi che sono stati spinti nell'universo da quella stella morente si trovano a dare vita a qualcosa che può guardare in alto e apprezzare la maestà che è il cosmo. Forse quel qualcosa ha l'intelligenza per rendersi conto che l'atomo di carbonio al suo interno è lo stesso atomo di carbonio che è stato creato in una stella morente, e che si sono verificate delle supernovae che hanno permesso a quell'atomo di carbonio di trovare la sua strada nella parte giusta dell'universo a Il momento giusto. L'energia che è stata l'ultimo respiro morente di una stella morta da tempo era la stessa energia che ha permesso alla vita di fare il suo primo respiro e guardare le stelle. Questi fantasmi stellari sono i nostri antenati. Sono andati in forma, ma rimangono nella nostra memoria chimica. Esistono dentro di noi. Siamo supernova. Siamo polvere di stelle. Siamo discendenti di fantasmi stellari ...
