Lezione sull'evoluzione stellare effettuata presso il Liceo Carrel (Milano) il 30 ottobre 2013

1. Figli delle stelle
Il cielo sopra e dentro di noi
Aniello Mennella
Università degli Studi di Milano
Milano, 30 ottobre 2012

3. Un mare di stelle

4. La GALASSIA infatti non è altro che un
ammasso di innumerabili stelle
disseminate a mucchi; ché in qualunque
parte di essa si diriga il cannocchiale,
subito si offre alla vista un grandissimo
numero di stelle, parecchie delle quali si
vedono abbastanza grandi e molto
distinte, mentre la moltitudine delle più
piccole è affatto inesplorabile.
G. Galilei (Sidereus Nuncius)

5. Le stelle vivono?
• Le stelle non sono eterne. Nascono, giungono
a maturità, invecchiano e muoiono
• La loro morte è prolifica, generatrice
• La nostra vita è indissolubilmente legata ad
essa
• In un certo senso, le stelle vivono

6. La culla delle stelle
• Gli ingredienti per la nascita di una stella:
●
●
Polvere interstellare
●
Gravità
●

7. La culla delle stelle
• Ci sono due ambienti adatti alla formazione di stelle:
●
●
Nubi molecolari giganti e fredde (~10 K)
●
●
Piccole nubi molecolari in presenza di una
forza esterna (es. una supernova)

10. La nebulosa di Orione. Una
nube molecolare a circa
1000 anni luce dalla Terra

12. I dischi protoplanetari (proplyds)
rivelati dal telescopio spaziale
Hubble

13. Protostelle e protopianeti
• La materia dal disco di
accrescimento cade sulla
stella, riscaldandosi per
effetto della pressione
sempre più elevata
• Il gas ionizzato in rotazione
genera campi magnetici.
Parte della materia viene
espulsa e ritorna nel disco
di accrescimento
• SI genera il vento solare
che nel tempo ripulisce il
disco di accrescimento
dalla materia residua

14. (nana rossa)
Immagine nel visibile
(perché il colore è blu?)
Immagine nell'infrarosso
(nana gialla)

15. Mondi alieni
• Il 6 ottobre 1995 si scopre il
primo pianeta extrasolare.
51 Pegasi
• Scoperto mediante
l'osservazione di shift Doppler
nella luce della stella →
cambiamento nella velocità
radiale
• Pianeta gassoso, circa la metà
di Giove, molto vicino alla
stella (5% della distanza TerraSole)
• Da allora sono stati scoperti
quasi 800 pianeti extrasolari

16. Mondi alieni
51 Pegasi

17. Mondi alieni
51 Pegasi

18. Mondi alieni
I dati mostrano che nella maggior parte
dei casi i pianeti sono dei giganti gassosi
che orbitano molto vicino alla stella.
51 Pegasi Il nostro sistema solare sembra essere
un'eccezione, piuttosto che la regola

19. Un'altra Terra?
• Le condizioni per l'esistenza di un mondo abitabile sono rare,
ma le stelle sono tante
• La sonda Kepler della NASA ha scoperto 156 nuovi pianeti,
molti dei quali di dimensioni simili alla terra
• In uno dei casi (Kepler-22b) il pianeta si trova nella cosiddetta
zona di abitabilità e potrebbe avere acqua liquida e
51 Pegasi
un'atmosfera stabile
•
• Ad oggi non ci sono ancora evidenze di pianeti realmente simili
alla terra, ma l'estrapolazione dei risultati di Kepler porta ad una
stima di 80 milioni circa di pianeti potenzialmente abitabili nella
nostra galassia
http://kepler.nasa.gov

20. I destini di una stella

21. Il diagramma di HertzprungRussel
• Il diagramma di HertzprungRussel identifica temperatura e
luminosità delle stelle nelle
varie fasi della loro vita
• La sequenza principale è la
regione occupata dalle stelle
durante la fase matura
• Le stelle più massive sono
anche le più luminose e calde,
ma le meno longeve
• La temperatura superficiale si
può calcolare dallo spettro
della luce emessa dalla stella

22. La luminosità è legata alla massa
Sole

24. Conoscere le stelle: il Sole
• Composizione: Idrogeno (~73%), Elio (~25%),
altri elementi (~1%)

25. L'interno del Sole e il suo motore:
la fusione
Temperatura superficiale:
~ 5700 gradi
Temperatura interna:
~15 milioni di gradi

26. L'interno del Sole e il suo motore:
la fusione
Temperatura superficiale:
~ 5700 gradi
In stelle più massive del sole un altro meccanismo di fusione prende il
sopravvento, il ciclo del carbonio, più complesso.
Temperatura interna:
~15 milioni di gradi

27. Perché il sole non esplode?
• La stabilità del Sole risulta dall'equilibrio fra tre fattori:
➔La
forza di gravità (collasso)
➔L'agitazione
termica delle particelle (esplosione)
➔La
pressione di radiazione (i fotoni che migrano dal centro
verso la superficie, esplosione)
• I fotoni viaggiano centinaia di migliaia di anni all'interno della
stella prima di propagarsi nello spazio vuoto
• All'interno della stella interagiscono continuamente con il gas
ionizzato perdendo energia. Nascono raggi gamma ed escono
come radiazione visibile

28. Il Sole a multifrequenza (UV e vis.)
osservato dal satellite SOHO

31. Vecchiaia
• Per tutte le stelle arriva il giorno in cui tutto l'idrogeno del
nucleo è stato convertito in elio
• Non più supportata dalle reazioni nucleari la stella si contrae
comprimendo ancora di più sia il nucleo di elio che gli strati più
esterni di idrogeno non ancora “combusti”
• Una nuova serie di reazioni si innesca dando vita ad una nuova
fase della vita della stella: la sua vecchiaia

32. Nel nucleo: fusione Elio → Carbonio + Ossigeno

33. Negli strati esterni al nucleo: fusione Idrogeno → Elio

34. Le nuove reazioni di fusione fanno espandere la stella

35. Negli strati esterni al nucleo: fusione Idrogeno → Elio

36. Morte
• Stelle piccole (< 5 volte il sole): espulsione del
guscio -> nebulosa planetaria -> nana bianca
• Stelle medie (da 5 a 10 volte il sole): esplosione
supernova -> resto di supernova -> stella di
neutroni
• Stelle grandi più di 10 volte il sole: esplosione
supernova -> resto di supernova -> buco nero

37. Helix Nebula

38. Eight burst nebula

39. Owl nebula

40. • Al centro della nebulosa rimane una nana bianca, una stella di
carbonio in estrema rotazione, estremamente densa delle
dimensioni di un pianeta
• La nana bianca non collassa ulteriormente grazie alla
pressione data dagli elettroni “degeneri”, ovvero non legati ai
nuclei di carbonio, che sono quasi a contatto
• Inizialmente caldissima, la nana bianca si raffredda nel corso di
miliardi di anni fino a “spegnersi” completamente

41. Supernove, il canto del cigno
• Se la stella è molto massiva, il nucleo di carbonio degenere non
riesce a rimanere stabile e collassa
• Prima si innescano reazioni di fusione a catena fino a generare
un nucleo di ferro instabile
• Il collasso continua fino ad un'esplosione violenta durante la
quale vengono generati tutti gli elementi della tavola periodica.
• I resti della stella vengono espulsi nello spazio. Al centro
rimane un nucleo densissimo, in rapida rotazione, di neutroni a
contatto (stella di neutroni)

42. Stella di neutroni

43. • Le stelle di neutroni sono un
preziosissimo laboratorio di
relatività generale e fisica
fondamentale
• Caratterizzate da campi
gravitazionali straordinariamente
intensi e emissioni di radiazione in
un ampio range di frequenze
• Nel 2005 l'osservazione di due
pulsar gemelle hanno confermato
l'esistenza di onde gravitazionali

44. • Le stelle di neutroni sono un
preziosissimo laboratorio di
relatività generale e fisica
fondamentale
• Caratterizzate da campi
gravitazionali straordinariamente
intensi e emissioni di radiazione in
un ampio range di frequenze
• Nel 2005 l'osservazione di due
pulsar gemelle hanno confermato
l'esistenza di onde gravitazionali

45. Stella di neutroni

46. Nove e supernove Ia
nane bianche in azione
• Quando una nana bianca orbita vicino a una gigante rossa la
gravità trasferisce materia dalla gigante alla nana.
• Sulla superficie della nana bianca avvengono esplosioni
nucleari causate dalla fusione dell'idrogeno in elio: la stella si
“riaccende” periodicamente.
• Questi sistemi vengono chiamati “variabili cataclismiche” o
anche “novae”

47. Nove e supernove Ia
nane bianche in azione
• Se la massa della nana bianca supera circa 1.5
masse solari il nucleo collassa
• La stella esplode come supernova.
• Questo tipo di supernove (denominate di tipo 1a) sono
fondamentali per la misura delle distanze di oggetti
molto distanti

48. I buchi neri
l'ultima frontiera delle stelle massiccie
Se la massa del nucleo di una stella collassata supera circa 4.5
masse solari anche una stella di neutroni non è più stabile
L'esplosione di una supernova fa collassare il nucleo in quello che
viene chiamato un buco nero, una regione dello spazio-tempo di
dimensioni vitualmente nulle e densità infinita
Qualunque oggetto, e anche la luce, che si avvicini oltre un certo
limite al buco nero (l'orizzonte degli eventi) non ne può più uscire

49. I buchi neri e la relatività generale
Nella relatività generale la gravità non è una forza generata da una
massa ma è la massa che incurva lo spazio. Nei loro movimenti i
corpi e anche la luce non seguono più una linea retta

50. I buchi neri e la relatività generale
Le lenti gravitazionali, un esempio dell'effetto della gravità sulla
luce
Abell 2218 (2 miliardi di anni luce)

51. I buchi neri e la relatività generale
Le lenti gravitazionali, un esempio dell'effetto della gravità sulla
luce
Galassia a 400
milioni di anni luce

52. I buchi neri e la relatività generale
Le lenti gravitazionali, un esempio dell'effetto della gravità sulla
luce
Quasar a 8 miliardi
di anni luce

53. Come possiamo vedere un buco
nero?
• Un buco nero è invisibile per definizione
• Possiamo rivelarne la presenza in due modi
●
●
Quando della materia “cade” nel buco nero emette
radiazione X prima di entrare nell'orizzonte degli eventi
Dalle orbite di corpi celesti che orbitano attorno a un
buco nero

54. Cygnus X-1, un possibile buco
nero a 6 anni luce da noi
• Sistema formato da un oggetto
compatto, invisibile tranne che nell'X e
da una supergigante blu
• Osservato per la prima volta nel 1964
da un razzo spaziale
• Candidato a essere un buco nero che
accresce la sua massa a spese della
stella gigante
Cygnus-X1 nei raggi X

55. Cygnus X-1, un possibile buco
nero a 6 anni luce da noi
• Sistema formato da un oggetto
compatto, invisibile tranne che nell'X e
da una supergigante blu
• Osservato per la prima volta nel 1964
da un razzo spaziale
• Candidato a essere un buco nero che
accresce la sua massa a spese della
stella gigante

56. Il centro oscuro della nostra
galassia

57. 0,1 anni luce

58. 0,1 anni luce
●
Le stelle ruotano attorno al centro alla
velocità di migliaia di Km/s
●
La massa necessaria è più di 1 milione di
soli. E' un buco nero

59. a che tante facelle ?
che fa l'aria infinita, e quel profondo
infinito seren? che vuol dir questa
solitudine immensa? ed io che sono?

60. Forse s'avess'io l'ale
da volar su le nubi,
e noverar le stelle ad una ad una ,
o come il tuono errar di giogo in giogo,
piú felice sarei