Di Andrea Macchiarini

È difficile determinare con esattezza come si sia formato il Sole e tutti gli oggetti celesti ad esso gravitazionalmente legati, dato che noi umanità della Terra non eravamo ancora nati e non si era formato nemmeno il nostro pianeta. Ma andare a cercare spiegazioni su come si siano svolti gli eventi ci può fornire uno spunto per delle riflessioni molto interessanti su chi siamo e cosa siamo.

Una delle ipotesi più accreditate attualmente dalla comunità scientifica, spiegherebbe che la formazione del Sistema solare è iniziata circa 4,6 miliardi di anni fa con l'addensarsi grazie alla forza di gravità (collasso gravitazionale) di una piccola parte di una gigantesca nube spaziale, formata principalmente da plasma, particelle di idrogeno molecolare (cioè presente in forma di molecola, atomi di idrogeno legati ad altri atomi di idrogeno), gas e polveri, chiamata nube molecolare.

Le più antiche inclusioni trovate nei meteoriti, che si pensa rappresentino il primo materiale solido a formarsi nella nebulosa pre-solare, hanno 4.568,2 milioni di anni: questa è in pratica una definizione dell'età del nostro Sistema solare. Gli studi di antichi meteoriti rivelano tracce di nuclei di isotopi stabili, come il ferro-60, che si formano solo in stelle esplosive e di vita breve.

Ciò indica che una o più supernove (stelle che "esplodono") si sono verificate nelle vicinanze. Un'onda d'urto di materia ed energia proveniente da una supernova potrebbe aver innescato la formazione del Sole, creando regioni relativamente dense all'interno della nube e innescando il loro collasso gravitazionale.

La distribuzione altamente omogenea del ferro-60 nel Sistema solare indica il verificarsi di questa esplosione di supernova e ne è quindi la prova, essendo questo isotopo di ferro-60 più vecchio rispetto ai dischi di accrescimento della polvere nebulare, che andranno poi a formare i corpi planetari.

Secondo i ricercatori è molto probabile che la stella che si è trasformata in supernova era di tipo Wolf-Rayet (abbreviato WR): semplificando sono stelle con una massa molto grande (minimo almeno 20 volte quella del nostro Sole), molto luminose, di colore bianco-azzurro e quindi molto calde: emettono una grande quantità di vento stellare e sono molto attive sotto diversi punti di vista. Sono quindi di vita breve rispetto alle stelle a loro più piccole.

La luminosa e calda stella Wolf-Rayet 124 (WR 124) ripresa dal telescopio spaziale della NASA/ESA/CSA James Webb. Questa immagine composita, realizzata il 14 marzo 2023, combina le lunghezze d’onda della luce del vicino infrarosso e del medio infrarosso. I caratteristici picchi di diffrazione delle stelle più luminose sono causati dalla struttura fisica del telescopio Webb stesso. Lo strumento NIRCam bilancia efficacemente la luminosità della stella con il gas più debole e la polvere che la circondano, mentre lo strumento a infrarossi medio-infrarosso di Webb rivela la struttura della nebulosa. La nebulosa di gas e polvere che si vede attorno alla WR 124 è materia espulsa dalla stella massiccia che invecchia. Nella struttura della nebulosa può essere letta la storia degli episodi passati di perdita di massa della stella. Piuttosto che strutture lisce, la nebulosa è formata da espulsioni casuali e asimmetriche. Luminosi grumi di gas e polvere appaiono come girini che nuotano verso la stella, spazzati indietro dal vento stellare.

COS'È UNA SUPERNOVA

La parola "supernova" deriva dal latino e quando è stata introdotta dagli astronomi nel 1934 stava semplicemente ad indicare una stella che all’improvviso e in misura eccezionale aumentava di luminosità.

Oggi dopo circa 90 anni di ricerche, studi e osservazioni, grazie al perfezionarsi delle tecnologie, delle tecniche di indagine e soprattutto del progressivo avanzamento della nostra comprensione delle dinamiche stellari siamo riusciti come umanità a formulare ipotesi che si avvicinano sempre più a capire il perché accadano certi fenomeni. Ad esempio abbiamo compreso che quell'aumento improvviso ed eccezionale di luminosità avveniva perché in pratica la stella stava esplodendo.

Cercando di utilizzare parole semplici per spiegare complessi concetti di fisica ma allo stesso tempo di non approssimare troppo, andiamo ora ad analizzare perché una stella ad un certo punto della sua esistenza espelle in maniera molto violenta gli strati esterni di cui è composta e perché il suo nucleo rimane (relativamente) nella stessa posizione.

Nonostante nessuna supernova sia stata osservata nella Via Lattea in epoca moderna, resti di supernove esistenti indicano che eventi di questo tipo accadano mediamente circa tre volte ogni secolo nella nostra galassia.

Di supernove ne sono state classificate di sette tipologie, con sette diverse motivazioni che ne causano l'esplosione: analizziamo il caso in cui la stella presa in esame abbia una massa ipotetica di 25 volte quella del nostro Sole (supernova di tipo II). E' stato capito che man mano che la stella invecchia, cioè che le reazioni di fusione nucleare si verificano e procedono, si avviverà a un punto in cui queste reazioni non potranno più avere luogo e si interromperà l'equilibrio tra l'energia prodotta e la sua forza di gravità (equilibrio termodinamico).

Immaginiamo che questa grande quantità di idrogeno, di circa 25 volte la massa del Sole, inizi ad addensarsi in una sfera (protostella), il quale compone il corpo della futura stella. Man mano che questo accade, il derivante aumento di attrazione gravitazionale fa aumentare proporzionalmente pressione e temperatura interne. Al superamento di una certa soglia di questi due valori, in maniera spontanea due atomi di idrogeno si fondono in un atomo di elio, liberando una grande quantità di energia: questo è il fenomeno della fusione nucleare.

La luce del Sole di colore bianco e tutte le altre forme di emissioni energetiche nello spettro elettromagnetico che riusciamo a percepire, sono prodotte all'interno della nostra stella dal processo naturale di fusione nucleare che avviene in determinate condizioni di pressione e temperatura: due atomi di idrogeno si uniscono in un atomo di elio, liberando una grande quantità di energia (crediti NASA Goddard Space Flight Center).

Con il procedere di questo tipo di trasformazioni, nelle parti interne della stella la pressione, la temperatura e la presenza dei nuovi atomi di elio aumenta; ecco che si supera una seconda soglia: più atomi di elio si fondono in un atomo di carbonio, liberando energia. Man mano che un nuovo elemento si genera, essendo più pesante (o meglio avendo più neutroni e protoni legati nel proprio nuovo nucleo), le dimensioni in volume della stella si riducono perché aumenta la sua forza di gravità.

Con l'aumentare della densità della stella, causata come abbiamo visto dalla comparsa di nuovi elementi più pesanti, si arriva al punto di "accensione" della fusione del neon: più atomi di carbonio si fondono in atomi di neon, liberando energia. La stella si contrae nuovamente e progressivamente in volume.

Analogamente nuovi tipi di fusione nucleare interni si generano, la stella si contrae di dimensioni sempre di più e la sua forza di gravità aumenta proporzionalmente: più atomi di neon si fondono in atomi di ossigeno, più atomi di ossigeno si fondono in atomi di silicio (e zolfo).

Nel momento in cui più atomi di silicio iniziamo a fondersi in atomi di ferro, il processo naturale delle fusioni nucleari si interrompe, perché con l'aumentare delle dimensioni dei nuclei degli atomi, si ha una minore produzione di energia e la quantità di calore interno della stella (quindi energia) non è più sufficiente ad alimentare spontaneamente le trasformazioni di fusione nucleare del ferro.

Il meccanismo di produzione energetica sopra illustrato si interrompe bruscamente e la forza di gravità prende il sopravvento: si verifica un immediato collasso della massa della stella verso il suo nucleo, stimato a una velocità di 70 000 km/secondo, pari al 23% della velocità della luce.

La fase immediatamente successiva è che una contrazione verso il suo nucleo così veloce e violenta di tutta la materia che compone la stella, genera una ancor di più enorme e quasi istantanea produzione di energia e calore che fa letteralmente esplodere tutti gli strati esterni. Una vera e propria onda d'urto stellare di materia ed energia si propaga ad altissima velocità a partire dal nucleo della stella verso lo spazio esterno.

In questo momento esatto, a causa della grande quantità di energia rilasciata, in una esplosione di supernova le temperature raggiunte favoriscono un ambiente in cui si formano praticamente tutti gli elementi che conosciamo. Queste enormi temperature causano la fusione degli atomi in elementi più pesanti ed è chiamata la nucleosintesi delle supernove.

La supernova 1994D, ripresa dal telescopio spaziale Hubble il 25 maggio 1999 vicino alla galassia NGC 4526. La distanza stimata di questa stella è di circa 55 milioni di anni luce (è quindi esplosa circa 55 milioni di anni fa). Dopo circa due settimane dalla data della sua scoperta, il 7 marzo 1999, ha raggiunto il picco della sua luminosità visiva per poi diminuire progressivamente. Si può notare dall'immagine che la luminosità raggiunta dalla supernova eguaglia quella del nucleo della galassia vicina.

Si stima che l’idrogeno e l’elio costituiscano rispettivamente circa il 74% e il 24% di tutta la materia presente nell’universo conosciuto. Il restante il 2% circa è composto da tutti gli altri elementi finora conosciuti. Tutti questi altri elementi sono quindi generati da processi interni alle stelle, sia nella fase principale della loro esistenza che nella fase finale: quando le stelle hanno terminato il combustibile base per le reazioni di fusione nucleare, che si trasformino in supernove oppure no, comunque la loro vita e esistenza è sinonimo di trasformazione e di diffusione di nuovi elementi in tutto l'universo.

LA MATERIA CHE COMPONE I NOSTRI CORPI FISICI È STATA CREATA ALL'INTERNO DI UNA STELLA

Secondo un recente studio scientifico pubblicato nel 2019 da ricercatori italiani e norvegesi, circa il 99% della massa del corpo umano è composta da solo sei elementi: ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, calcio e fosforo. Solo circa lo 0,85% è composto da altri cinque elementi: potassio, zolfo, sodio, cloro e magnesio. Idrogeno a parte, tutti i restati elementi sono stati quindi creati nei processi di fusione nucleare interni alle stelle. Non solo. Possiamo aggiungere che gli elementi più pesanti come ossigeno, potassio, zolfo, calcio, sodio, cloro e magnesio sappiamo che si sono formati all'interno di una stella più massiccia del nostro Sole.

Inoltre è stato stimato che la nostra stella è a circa metà della sua sequenza principale, cioè è a metà di una lunga fase di stabilità durante la quale l'astro genera energia attraverso la fusione al suo interno dell'idrogeno in elio. Ne deduciamo che non possa essere stato lui a creare gli elementi di cui ad esempio è composto il pianeta Terra e gli esseri viventi che vi vivono.

Il calcio dei nostri denti e delle nostre ossa, l'ossigeno che compone l'acqua di cui siamo costituiti (50-60%), il fosforo che compone le catene di DNA all'interno delle nostre cellule, il ferro che scorre nel nostro sangue, il carbonio che si trova nelle proteine, nei lipidi e negli acidi nucleici, il potassio che si trova nel nostro sistema nervoso, insomma tutti gli elementi di cui oggi noi siamo costituiti si sono originati da una stella che oramai non esiste più.

Analogamente possiamo dedurre che tutti gli elementi più pesanti del ferro presenti sul nostro pianeta si siano originati dall'esplosione di una supernova: l'oro e l'argento delle nostre collane, anelli e orecchini, il neodimio che compone i magneti che utilizziamo in auricolari e hard disk, il rame che è alla base di tutti i componenti elettrici ed elettronici di utilizzo planetario, sono solo alcuni esempi.

La nascita e la morte (trasformazione finale) di una stella può sembrare per noi esseri viventi biologici un evento violento e apparentemente distruttivo, ma implica sempre un rinnovamento negli elementi che compongono l'universo.

Andrea Macchiarini
10 Aprile 2024

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Immagini:
-https://skyandtelescope.org/astronomy-news/astronomers-detect-one-most-luminous-supernovae/
- https://esawebb.org/images/weic2307d/
- https://www.flickr.com/photos/gsfc/12867973205
- https://esahubble.org/images/opo9919i/

Immagine in evidenza: Rappresentazione artistica dell'esplosione di SN 2016aps, una supernova candidata ad essere la più luminosa mai osservata dagli astronomi. Crediti: M. Weiss.

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