Teorie scientifiche sulla parte finale della “vita” del nostro Sole

– Nozioni scientifiche e considerazioni –

Tra circa 5,4 miliardi di anni, il nucleo del Sole diventerà abbastanza caldo da innescare la fusione dell’idrogeno nel suo guscio circostante. Ciò farà sì che gli strati esterni si espanderanno notevolmente: la nostra stella entrerà in una fase della sua vita chiamata “gigante rossa“. Entro 7,5 miliardi di anni, la superficie esterna del Sole si sarà espansa ad un raggio di 1,2 UA (unità astronomiche), circa 256 volte la sua dimensione attuale. Data la vastissima area che occuperà la futura “superficie” esterna del Sole, la temperatura di quest’ultima sarà molto più fredda di quella attuale, intorno ai 2.330 °C, e la sua luminosità sarà più elevata, fino a 2.700 volte quella attuale.

Questa è la previsione che astronomi e ricercatori hanno formulato per il futuro della nostra stella.

Paragonando l’attuale fase in cui si trova il Sole (la sua sequenza principale) come la vita di un essere umano, quando questo invecchierà e morirà in realtà si trasformerà in un oggetto celeste che continuerà a modificare lo spazio interstellare circostante in maniera da favorire le condizioni per lo sviluppo della vita.

Una delle conseguenze dell’espansione delle sue dimensioni, è che Titano, una delle lune di Saturno, potrebbe raggiungere le temperature superficiali necessarie per sostenere la vita.

Man mano che il Sole si espanderà, è probabile che inglobi all’interno dei suoi strati esterni di materia i pianeti Mercurio e Venere. Per il nostro pianeta il futuro è meno chiaro: anche se il Sole avvolgerà l’orbita attuale della Terra, la perdita di massa della stella (e di conseguenza ci sarà una sua attrazione gravitazionale più debole) causerà il probabile allontanamento delle orbite dei pianeti.

Un’altra conseguenza sarà che la zona abitabile del Sole si sposterà nel Sistema solare esterno e, alla fine della fase di gigante rossa, questa zona in cui le temperature si innalzeranno andrà oltre la fascia di Kuiper, causando il disgelo di corpi ghiacciati come Encelado e Plutone: questi mondi potrebbero sostenere un ciclo idrologico a base d’acqua.

Nei momenti successivi, a poco a poco la fusione di idrogeno nel guscio intorno al nucleo solare ne aumenterà la sua densità fino a raggiungere circa il 45% del volume solare attuale. A questo punto, la densità e la temperatura diventeranno così alte che inizierà la fusione dell’elio in carbonio, portando a un aumento improvviso delle reazioni di fusione nucleare di elio; il Sole si ridurrà in volume da circa 250 a 11 volte il suo raggio attuale. Di conseguenza, la sua luminosità diminuirà da circa 3.000 a 54 volte il suo livello attuale, e la sua temperatura superficiale aumenterà a circa 4.500 °C.

Il Sole inizierà a trasformare l’elio nel suo nucleo in modo stabile, proprio come trasforma idrogeno oggi. Questa fase di fusione dell’elio durerà solo 100 milioni di anni circa. Alla fine, dovrà nuovamente ricorrere alle riserve di idrogeno ed elio nei suoi strati esterni. Si espanderà una seconda volta, diventando una stella gigante in continuo mutamento di forma (gigante asintotica).

Qui la sua luminosità aumenterà di nuovo, raggiungendo circa 2.090 volte la luminosità attuale, e si raffredderà a circa 3.230 °C. Questa fase dura circa 30 milioni di anni, dopo di che, nel corso di altri 100.000 anni, gli strati esterni rimanenti del Sole si allontaneranno dal nucleo, espellendo un vasto flusso di materia nello spazio interstellare e formando un alone conosciuto con il nome di nebulosa planetaria.

Il materiale espulso conterrà l’elio e il carbonio prodotti dalle reazioni nucleari del Sole, continuando l’arricchimento del mezzo interstellare (lo spazio) con elementi pesanti per le future generazioni di stelle e pianeti.

Nebulose planetarie: la diffusione nello spazio di materia elaborata

L’immagine di copertina è stata scelta perché aiuta a comprendere come una stella delle dimensioni del nostro Sole alla fine della sua sequenza principale di esistenza si trasformi, arricchendo lo spazio circostante di tutti gli elementi che conosciamo: da quelli più leggeri come l’idrogeno a quelli un po’ più pesanti come il carbonio.

Anche adesso, mentre state leggendo questo articolo, il nucleo stellare presente al centro della Nebulosa ad Anello sta continuando a irradiare energia nello spazio e a espandere gli strati esterni di quella che una volta era una stella simile al nostro Sole.

Questa situazione appena descritta è e sarà valida per molto del nostro tempo: era già così nel 1779 quando fu scoperta e rimarrà in questa fase di espansione per ancora tantissimi anni.

Le scale temporali che riguardano gli eventi degli oggetti celesti sono molto spesso così lunghe che la durata di una vita umana è pressoché un’istante.

Le nebulose planetarie probabilmente svolgono un ruolo cruciale nell’evoluzione chimica della Via Lattea (la galassia a cui apparteniamo) espellendo gli elementi nel mezzo interstellare dalle stelle dove sono stati creati quegli elementi. Questo tipo di nebulose sono osservate anche in galassie più distanti, fornendo informazioni utili sull’abbondanza degli elementi di cui sono costituite e sulla loro composizione chimica.

Venendo dispersa nel mezzo interstellare per distanze misurabili nella scala degli anni-luce, tutta questa materia costituirà i mattoni fondamentali con i quali saranno costruiti nuove stelle e pianeti.

A partire dagli anni ’90, le immagini del telescopio spaziale Hubble hanno rivelato che molte nebulose planetarie hanno morfologie estremamente complesse e varie. Circa un quinto è approssimativamente sferico, ma la maggior parte non sono simmetriche. I meccanismi che producono una così ampia varietà di forme e caratteristiche non sono ancora ben compresi, ma la presenza al loro centro di stelle binarie (due stelle che orbitano l’una intorno all’altra), i rispettivi venti stellari e i loro campi magnetici svolgono certamente un ruolo importante nella determinazione della rispettiva forma ed espansione.

La bellezza del Cosmo

Tornando a parlare della “Nebulosa ad Anello” M57 o NGC6720 (vedi l’immagine di copertina di questo articolo), proprio sul sito istituzionale del telescopio spaziale Spitzer, la descrizione ufficiale della fotografia pubblicata di questa nebulosa planetaria, recita così: “Il telescopio spaziale Spitzer della NASA trova un fiore delicato nella Nebulosa Anello…” e di seguito riporta: “Il guscio esterno di questa nebulosa planetaria sembra sorprendentemente simile ai delicati petali di un fiore di camelia”.

L’ispirazione che queste immagini di lontani oggetti celesti possono fornire a chi le contempla, mi spinge a riflettere e successivamente ad avanzare un parallelismo su come una stella alla fine del suo ciclo vitale sbocci come un fiore, il cui polline che sparge nello spazio cosmico consista negli elementi pesanti elaborati al suo interno durante la sua esistenza.

Elementi pesanti quindi utili alla formazione di nuove stelle, pianeti e chissà a quante forme di vita; gli stessi elementi che proprio adesso ci compongono e costituiscono, frutto della trasformazione di una sconosciuta stella morente di cui oggi ancora non siamo riusciti a trovarne traccia.

Immagine realizzata l’ 11 febbraio 2005 dal telescopio spaziale Spitzer (NASA) della “Nebulosa ad Anello“. Il guscio esterno di questa nebulosa planetaria sembra sorprendentemente simile ai delicati petali di un fiore di camelia. Una nebulosa planetaria è un guscio di materiale espulso da una stella morente. Situata a circa 2.000 anni luce dalla Terra nella costellazione della Lyra, la Nebulosa dell’Anello è catalogata come oggetto celeste Messier 57 e NGC 6720. È uno dei migliori esempi di nebulosa planetaria e il bersaglio preferito di astronomi dilettanti. L’anello è un cilindro spesso di gas incandescente e polvere intorno alla stella in fase di trasformazione. Quando questa inizia a esaurire il carburante interno, il suo nucleo diventa sempre più piccolo e più caldo, facendo ribollire i suoi strati esterni. La telecamera a infrarossi del telescopio ha immortalato questo materiale espulso. Le immagini precedenti della Nebulosa Anello scattate dai telescopi a luce visibile di solito mostravano solo il cerchio interno di gas intorno alla stella. Le regioni esterne sono particolarmente importanti in questa immagine perché Spitzer vede la luce infrarossa emessa dalle molecole di idrogeno. Le molecole emettono luce infrarossa perché hanno assorbito la radiazione ultravioletta dalla stella o sono state riscaldate dal vento stellare proveniente dal suo nucleo (crediti: NASA/JPL-Caltech/J. Hora).

Di seguito saranno illustrati alcuni esempi delle innumerevoli stelle che, alla fine della loro fase principale di esistenza, si trasformano in oggetti unici per forme e colori; nonostante le loro unicità sono tutti accomunati dalla funzione che svolgono, ovvero di diffondere una grande varietà di elementi diversi, creati partendo dall’atomo più semplice e più abbondante: l’idrogeno.

Solo nella nostra galassia, la Via Lattea, ad oggi di nebulose planetarie ne sono state scoperte circa 3000 ma i modelli teorici prevedono che il loro numero possa attestarsi intorno alle 20 000 unità.

Bibliografia e siti internet consultati:

• K. P. Schroder; Robert Connon Smith (2008). “Distant future of the Sun and Earth revisited”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 386 (1): 155–163
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• Ralph D. Lorenz; Jonathan I. Lunine; Christopher P. McKay (1997). “Titan under a red giant sun: A new kind of “habitable” moon” (PDF). Geophysical Research Letters. 24 (22): 2905–8
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• Ramirez, Ramses M.; Kaltenegger, Lisa (16 May 2016). “Habitable Zones of Post-Main Sequence Stars”. The Astrophysical Journal. 823
• https://web.archive.org/web/20081219010229/http://www.astro.washington.edu/balick/WFPC2/
• Coe, Steven R. (2007). Nebulae and how to observe them. Astronomers’ observing guides. Springer. p. 111
• https://apod.nasa.gov/apod/ap180715.html
• https://www.smithsonianmag.com/smart-news/sun-will-produce-beautiful-planetary-nebula-when-it-dies-180969028/
• https://www.media.inaf.it/2017/06/13/nebulose-planetarie/
• Guerrero, M. A.; Chu, Y.-H.; Gruendl, R. A.; Meixner, M. (2005). “XMM-Newton detection of hot gas in the Eskimo Nebula: Shocked stellar wind or collimated outflows?”. Astronomy and Astrophysics. 430 (3): L69–L72 .

Immagini:

• https://www.spitzer.caltech.edu/image/ssc2005-07a1-infrared-ring-nebula
• https://apod.nasa.gov/apod/ap180715.html
• https://esahubble.org/images/heic9910a/
• https://esahubble.org/images/opo0733c/
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Space_sensations/Cat_s_Eye_Nebula_NGC_6543
• https://www.nasa.gov/image-article/cats-eye-nebula-2/
• http://www.star.ucl.ac.uk/~apod/apod/ap130313.html

Allegati:

• 10-04-24 Figli delle Stelle (Prima parte)
• 10-03-24 Siamo tutti passeggeri in un continuo viaggio interstellare
• 21-02-24 Flussi di materia dal sole: quanto sono intensi?
• 14-02-24 Emissioni di energia solare: Quanto sono veloci?
• 31-01-24 Il Sole. Stella generatrice di vita
• 7-02-24 Iterazioni ottiche tra l’energia solare e l’atmosfera terrestre