Pan di stelle (I)

Tanto tempo fa avevo scritto a proposito del mio lavoro.
Non ne ho mai piu` parlato, rimandando sempre il momento in cui farlo. Tre anni dopo il mio primo articolo ufficiale come primo autore e` pubblicato, ed io ancora non ho raccontato nulla.
A parole sostengo spesso la necessita` che chi si occupa di ricerca (di qualunque genere) abbia una responsabilita` nei confronti della societa` che gli permette  di fare il suo mestiere sovvenzionandolo tramite fondi pubblici.
Ecco, un modo di assumersi questa responsabilita` e` precisamente la divulgazione dei risultati della propria attivita` in termini accessibili a tutti. La societa` ci nutre fornendoci gli strumenti per lavorare, noi ripaghiamo sfornando in cambio pagnotte di nostro lavoro che siano digeribili da tutti.
Questo e` cio` che mi propongo di fare. La cosa piu` difficile sara`, credo, riuscire ad usare un linguaggio semplice ma al tempo stesso non approssimativo, e di riuscire a trasmettere l'entusiasmo per la materia. Non penso che ne saro` capace ma oh!, intanto uno ci prova.

Per arrivare a spiegare il lavoro pubblicato nell'articolo di cui sopra, comincio con alcuni passi intermedi.
Il primo passo riguarda la formazione stellare.

Le stelle sono immense nubi di gas che per semplicita` immaginiamo sferiche.
Perche` immaginarle sferiche? Per due motivi: primo, perche` se sono sferiche ricordano palline di gelato, rendendole immediatamente un attraente soggetto di studio. Secondo, perche` cosi` facendo tutte le proprieta` che vogliamo descrivere della nostra stella possono essere espresse in funzione di un solo parametro: la distanza dal centro della sfera. Se la stella e` una sfera, la temperatura alla superficie sara` uguale in qualsiasi punto. La temperatura a meta` del raggio della sfera sara` diversa da quella alla superficie, ma qualunque punto che si trovi alla stessa distanza dal centro (cioe` raggio della sfera diviso due) ha la stessa temperatura. Lo stesso discorso fatto per la temperatura vale pari pari per la pressione, per la forza di gravita`, per la composizione chimica, per la densita` e cosi` via.

La nebulosa Testa di Cavallo, famoso sito di formazione stellare

All'inizio di questa storia, molto tempo prima che la stella si sia formata ed abbia iniziato a brillare, la situazione e` semplicissima. La nube di gas e` omogenea. Temperatura e densita` sono uguali in ogni punto. Ora: ogni atomo di gas presente in questa nube e` dotato di massa, per piccola che sia. Ogni corpo dotato di massa risente dell'attrazione gravitazionale degli altri corpi circostanti.

Nota: questo e` il motivo per cui noi stiamo attaccati a terra anziche` svolazzare in giro. Maggiore e` la massa di un corpo, maggiore e` l'attrazione che esercita sugli altri corpi, e questo e` il motivo per cui stiamo attaccati a terra anziche` incollarci gli uni agli altri. La Terra e` molto piu` massiccia. Ma anche nello spazio, dove "non c'e` gravita`", l'attrazione gravitazionale c'e` eccome, solo che e` molto piu` debole di quella a cui siamo abituati qui al suolo. Ad esempio in questo video dalla Stazione Spaziale Internazionale (in orbita a circa 300-400 km dalla Terra) l'astronauta non svolazza in giro per la stanza mentre parla, ne` lo fanno gli oggetti che s'intravedono. Questo perche`la stazione esercita una, pur debole, attrazione su di lui. Per vincerla e` sufficiente che egli scriva al computer con un po' di trasporto. Pero` c'e`!

Nella nostra nube percio` gli atomi di gas (per il momento non e` importante stabilire di quale gas si tratti, in prevalenza idrogeno comunque) si attraggono mutuamente per il semplice fatto di avere una massa.
L'attrazione e` debole fin che si vuole, ma c'e`, e fa si che la nube di gas si contragga. Man mano che si contrae, la forza di attrazione gravitazionale aumenta (scala con il quadrato della distanza, percio` due particelle a un metro di distanza l'una dall'altra si attraggono con forza quattro volte maggiore che se fossero separate di due metri). A contrastare l'azione della gravita` c'e` l'effetto della pressione: quando cerchi di aumentare la quantita` di gas contenuta in un volume di spazio fissato, la pressione aumenta e il gas spinge per non ridurre il volume che ha a disposizione.

Nota: ad esempio, soffiando dentro un palloncino aumentiamo la quantita` di aria contenuta al suo interno, e il maggior numero di atomi presenti nel palloncino esercita una pressione sulle pareti del palloncino facendolo gonfiare. Similmente, se noi cerchiamo di comprimere un pallone gonfio, il gas contenuto in esso si oppone al nostro tentativo esercitando una forza contraria alla nostra. Lo stesso fa il gas nella nube: la forza di gravita` cerca di comprimerlo, la pressione aumenta producendo una forza che si oppone a questa compressione. 

A volte si raggiunge un equilibrio tra la forza di pressione e quella di gravitazione, e in quel caso la nostra storia finisce qui. Se l'equilibrio fosse sempre raggiunto, pero`, non saremmo qui a raccontarcelo, perche` il Sole e le altre stelle non si sarebbero mai formate.
Invece a volte, quando la massa iniziale della nube di gas e` sufficientemente grande (quanto grande esattamente si puo` calcolare), la gravita` e` piu` forte della pressione e la contrazione della nube continua inarrestabile.

Inarrestabile? Non esattamente.
Contraendosi la nube di gas libera energia.

Nota: il motivo e` presto detto. Una palla di piombo che si trovi al decimo piano di un grattacielo ha piu` energia della stessa palla di piombo al pian terreno. Infatti, se dal decimo piano del grattacielo fate cadere la palla di piombo, quella guadagnera` velocita` nella caduta perche` sta trasformando la sua energia gravitazionale (si trova al decimo piano, ferma) in energia cinetica (si trova al nono piano, ottavo piano, settimo piano, ... via via piu` veloce). Alla fine della caduta, un attimo prima di arrivare al suolo, ha convertito tutta la sua energia gravitazionale in energia cinetica. E tutti sappiamo che di energia ne contiene parecchia perche` quando, un attimo dopo, tocca terra, lascia un buco sulla strada. Buco che e` tanto piu` grande tanto piu` e` alto il piano da cui abbiamo fatto cadere la palla.

La nube di gas contraendosi dunque perde energia gravitazionale e la converte in energia cinetica. Per un gas (ma non solo per i gas) aumentare l'energia cinetica significa che sta salendo la temperatura.
Percio`, mentre il tempo passa, la nostra nube di gas sta rimpicciolendo di volume (quindi aumenta la densita`) e diventando via via piu` calda. Non e` nemmeno piu` omogenea, perche` gli atomi che si trovano al centro della nube sentono il peso di tutto il gas che sta nelle regioni piu` esterne. Percio` al centro della nube il gas e` piu` caldo e denso rispetto alla superficie. Poiche` stiamo sempre immaginando che la nube sia sferica, la variazione di densita`, temperatura, ecc, e` funzione soltanto della distanza dal centro.

La densita` e la temperatura non possono aumentare all'infinito. Nel centro della nube arriva un momento in cui si raggiungono le condizioni necessarie all'innesco di reazioni di fusione nucleare. In parole povere, i nuclei degli atomi di idrogeno della nostra nube giungono ad essere cosi` vicini e cosi` caldi da rendere probabile che si fondano a due a due per formare un nucleo nuovo, piu` grosso, il nucleo dell'atomo di elio. Questa operazione libera una grande quantita` di energia. La nube (finalmente) smette di contrarsi perche` ora ha al centro una sorgente di energia che e` sufficiente a contrastare la forza di gravitazione. Dopo qualche oscillazione (la nube inizialmente si espandera` un po', poi tornera` a contrarsi, poi ad espandersi, e cosi` via) la nube raggiungera` una situazione di equilibrio, in cui la gravita` e` bilanciata dall'energia emessa per effetto delle reazioni nucleari.

Da questo momento in poi (piu` o meno) possiamo finalmente dare un nome alla nostra nube: stella.

(continua...)