7. Nascita, vita e morte delle stelle

Se volete preparare una torta di mele senza l'occorrente dovete prima inventare l'universo. Supponiamo che tagli una fetta della torta, e adesso supponiamo di tagliare a metà la fetta ottenuta, ora tagliamo ancora a metà la fetta ottenuta e così via. Quanto ancora dovremo proseguire a tagliare per ottenere il singolo atomo. La risposta è, dovremo tagliare ancora circa 90 volte. Nel nostro caso il coltello non è abbastanza affilato e la torta si sbriciola tutta. In ogni caso, un atomo è troppo piccolo per essere visibile, però esiste un modo per riuscirci.

All'università di Cambridge, in Inghilterra, la natura dell'atomo fu capita per la prima volta. Fu fatto un sistema per sparare particelle di atomi addosso ad altri e si osservava come essi rimbalzavano. Un atomo è circondato come da una specie di nube di elettroni. Gli elettroni sono caricati elettricamente e determinano le proprietà chimiche dell'atomo. Ma, nel profondo dell'interno dell'atomo, nascosto molto al di sotto della nube esterna di elettroni, c'è il nucleo, composto principalmente di protoni e di neutroni. Gli atomi sono molto piccoli. Il più della massa di un atomo è nel nucleo, gli elettroni sono, per fare un paragone, solo pezzettini in movimento.

Gli atomi sono più che altro spazio vuoto, la materia è composta principalmente del nulla. Se noi immaginiamo di tagliare la torta di mele a fondo, oltre il singolo atomo, ci troviamo di fronte all'infinito del piccolissimo, e se guardiamo in alto, al cielo notturno, ci troviamo di fronte all'infinito dell'immenso. Questi infiniti sono due tra le più sconvolgenti delle idee umane, essi rappresentano una sequenza senza fine che continua ad andare non solo molto lontano, ma per sempre.

Quando parliamo di un numero infinito, ci riferiamo ad una misura che è più grande di qualunque numero, cioè qualsiasi numero voi abbiate in mente l'infinito è più grande. Sin dal tempo di Democrito, nel V sec. A.C., l'uomo non ha fatto che interrogarsi sull'esistenza dell'atomo. E, negli ultimi 500 anni, sono state portate argomentazioni persuasive, anche se indirette, sulla teoria che tutta la materia è formata da atomi. Ma solo nella nostra epoca siamo riusciti a vederli veramente. Noi diamo per scontato che gli atomi esistono. Però, ne esistono molte specie diverse.

Sulla Terra, ci sono 92 specie di atomi allo stato naturale distinti chimicamente. Si chiamano gli elementi chimici. In pratica, tutto quello che vediamo e conosciamo, tutte le bellezze della natura, sono costituiti da queste poche specie di atomi, collegati tra loro in armoniose combinazioni chimiche. Alla temperatura ambiente, molti elementi chimici sono allo stato solido, alcuni allo stato gassoso e altri allo stato liquido, come il bromo e il mercurio. Sono sistemati per ordine di complessità, per esempio, l'idrogeno, il più semplice, è l'elemento numero uno e l'uranio, il più complesso, è l'elemento numero 92. Alcuni di questi elementi ci sono molto familiari, per esempio il silicio, l'ossigeno, il magnesio, l'alluminio, il ferro, elementi che costituiscono la terra. Ma ci sono anche l'idrogeno, il carbonio, l'azoto, l'ossigeno, il fosforo, lo zolfo, elementi che sono essenziali per la vita. Altri elementi ci sono assolutamente sconosciuti, per esempio l'erbio, il disprosio, ecc., elementi che non capita di incontrare tutti i giorni. Per grandi linee, possiamo dire che gli elementi più conosciuti sono anche gli elementi più abbondanti; sulla Terra c'è una gran quantità di ferro.

Il fatto che l'atomo sia composto solo da tre tipi di particelle elementari, protoni, neutroni ed elettroni, è una scoperta relativamente recente. Il neutrone fu scoperto solo nel 1932 all'università di Cambridge, come l'elettrone e il protone. La chimica e la fisica moderna hanno ridotto la complessità del mondo impercettibile ad una semplicità sorprendente; 3 entità (elettrone, protone e neutrone) messe insieme formano essenzialmente tutte le cose. Il neutrone è elettricamente neutro. Il protone ha una carica elettrica positiva e l'elettrone ha una carica elettrica negativa, e dato che gli atomi sono tutti elettricamente neutri il numero di protoni che sono nel nucleo deve essere identico a quello degli elettroni che sono fuori. I protoni e i neutroni insieme mantengono compatto il nucleo.

Ora, la chimica di un atomo, la natura di un elemento chimico dipendono solo dal numero degli elettroni, che è uguale al numero dei protoni, e che si chiama numero atomico. La chimica è soltanto numero, un'idea che sarebbe piaciuta molto a Pitagora. Se siete un atomo ed avete soltanto un protone siete idrogeno, con due protoni siete elio, con tre litio, con quattro berillio, con cinque boro, con sei carbonio, con sette azoto, con otto ossigeno, e così via fino ad arrivare ai 92 protoni, in tal caso si ha l'uranio.

I protoni hanno una carica elettrica positiva ed essendo lo stesso segno si respingono. Allora, come mai il nucleo si mantiene? come mai le forze repulsive elettriche dei protoni non fanno esplodere il nucleo in frammenti? La risposta è che in natura esiste un'altra forza che non è elettricità né la gravità, è la forza nucleare. Possiamo immaginarla come dei granchi con un braccio molto corto, che entrano in azione quando i protoni e i neutroni si avvicinano troppo tra di loro. La forza nucleare riesce ad avere la meglio sulla repulsione elettrica dei protoni. L'atomo dell'elio è formato da due protoni e da due elettroni ed è molto stabile. Tre nuclei di elio tenuti insieme dalla forza nucleare formano il carbonio, quattro nuclei di elio formano l'ossigeno, e così via. Ogni volta che aggiungiamo o sottraiamo un protone e abbastanza neutroni, per tenere insieme il nucleo, noi formiamo un nuovo elemento chimico. Consideriamo il mercurio. Se proviamo a togliere un protone, tre neutroni dal mercurio lo trasformiamo in oro; il sogno degli antichi alchimisti.

Al di là dell'elemento numero 92, l'uranio, esistono altri elementi che sulla Terra non si trovano allo stato naturale, ma che vengono ottenuti per sintesi dall'uomo e poi si disintegrano molto rapidamente. Uno di essi, l'elemento 94 è stato chiamato plutonio ed è una delle sostanze più tossiche che si conoscano. Da dove vengono? qual'è la provenienza degli elementi chimici naturali? c'è, forse, un origine separata per ognuno di essi?

Però, tutti gli elementi sono fatti delle stesse particelle semplici, l'universo è fatto per il 99,9% di idrogeno ed elio, i due elementi più semplici. In realtà, l'elio è individuato sul Sole prima di essere trovato sulla Terra. Potrebbero gli altri elementi chimici essersi in qualche modo sviluppati dall'idrogeno e dall'elio? Allo scopo di evitare la repulsione elettrica, i protoni e i neutroni devono essere molto vicini tra loro in modo che le forze nucleari entrino in azione. Questo accade solo alle temperature molto alte, alle quali le particelle si muovono così veloci da non dar tempo alla repulsione elettrica di agire, temperature di decine di milioni di gradi. Temperature così alte sono comuni in natura. Dove? All'interno delle stelle.

Gli atomi si formano all'interno delle stelle. Nella maggior parte delle stelle visibili, i nuclei di idrogeno si ammassano e formano nuclei di elio. Ogni volta che si forma un nucleo di elio, viene generato un fotone di luce. Questo è il motivo per cui le stelle brillano.

Le stelle nascono in immense nubi di gas di polvere, come la nebulosa di Orione, distante da noi 1500 anni luce, parti della quale sono soggetti a collasso gravitazionale. Gli scontri tra gli atomi fanno salire la temperatura della nube finché all'interno di essa l'idrogeno comincia a fondersi in elio e la stella si accende. Le stelle nascono a gruppi, successivamente esse escono dal nucleo di infanzia per seguire il loro destino nella Via Lattea.

Le stelle giovani, come le Pleiadi, sono tuttora circondate da gas e da polveri. Ma, alla fine, anch'esse andranno molto lontano dal luogo di nascita. Altrove, ci sono stelle che si sono formate dalla stessa nube dalla quale si è formato il Sole 5 miliardi di anni fa. Ma, noi non sappiamo quali siano queste stelle. Le sorelle del Sole potrebbero trovarsi, per quello che ne sappiamo, all'altro capo della Galassia.

Il Sole è una stella molto vicina, è una sfera incandescente fatta di gas, che brilla per il suo calore. La superficie ha una temperatura di 6000 gradi centigradi, all'interno la temperatura è di 20 milioni di gradi. Ai raggi X, riusciamo a vedere una parte del Sole che normalmente non è visibile, la corona solare. Alla luce normale, vediamo alcune zone più fredde e più scure, che sono le macchie solari. Sono associate a grandi ondate di gas, enormi nubi di fuoco, sono determinate dal campo magnetico del Sole. Le zone scure del Sole, ai raggi X, sono varchi della corona solare attraverso i quali spuntano elettroni e protoni che vanno a far parte del vento solare. Tutta questa potenza in ebollizione è guidata dall'interno del Sole, che trasforma ogni secondo 900 milioni di tonnellate di idrogeno in elio, è come se fosse un enorme reattore nucleare a fusione.

Le stelle nascono e muoiono per contrazione. Delle migliaia di stelle che vedete quando la sera guardate il cielo, ognuna indistintamente vive in un intervallo compreso tra due contrazioni, la contrazione iniziale di una nube interstellare fatta di gas come una stella e una contrazione finale della stella luminosa, sulla via del suo ultimo respiro. L'autogravità spinge le stelle a contrarsi, a meno che non intervengano altre forze. Il Sole è un'immensa palla di idrogeno irradiante, i gas caldi al suo interno tendono a far gonfiare il Sole e l'autogravità, invece, tende a farlo contrarre. E, lo stato attuale del Sole è il punto di equilibrio tra queste due forze, tra l'autogravità e la fornace nucleare.

Durante il lungo periodo compreso tra le due contrazioni le stelle brillano costantemente. Ma, quando il carburante nucleare si esaurisce, l'interno si raffredda, la pressione non è più sufficiente a sostenere gli strati esterni e la contrazione originale si ripete. Le stelle muoiono in tre modi diversi. La loro sorte è predestinata, tutto dipende dalla loro massa iniziale.
Una stella tipica con una massa come quella del Sole comincerà, ogni giorno, la sua contrazione finché la sua densità diventerà molto alta, allora la contrazione verrà fermata dalla reciproca repulsione degli elettroni superaffollati all'interno della stella.
Una stella con una massa doppia di quella del Sole non si fermerà per la pressione degli elettroni, ma continuerà a comprimersi e a contrarsi finché entreranno in gioco delle forze nucleari che fermeranno il processo di contrazione della stella.
Ma, in una stella con una massa tripla di quella del Sole neanche le forze nucleari fermano la contrazione, e queste stelle hanno un destino sorprendente. Continuano a contrarsi fino a svanire del tutto.

Quindi, ogni stella viene caratterizzata dalla quantità di forza che essa oppone all'autogravità. Una stella, che è sostenuta dalla pressione del gas, è una comune stella di tipo normale come il Sole. Una stella in contrazione, che è sostenuta dalla forza degli elettroni, si chiama nana bianca, è, per esempio, il Sole ridotto alla grandezza della Terra. Una stella in contrazione, che è sostenuta dalle forze nucleari, è chiamata stella di neutroni, è, per esempio, il Sole ridotto alla grandezza di una città. E, una stella di una massa tale che nella contrazione finale svanisce completamente viene chiamata buco nero, è, per esempio, il Sole che non ha alcuna dimensione.

Ma, lungo la via dei loro destini seppure diversi, tutte le stelle passano attraverso una specie di presagio di morte. Prima del suo collasso gravitazionale definitivo, la stella ha come un tremito, nel suo ultimo anelito di vita si tramuta in una gigante rossa. Fra 5 miliardi di anni o di più, sulla Terra ci sarà un ultimo giorno. Poi, il Sole comincerà lentamente a cambiare e la Terra morirà. Nel Sole c'è una quantità di idrogeno determinata, quando esso si sarà trasformato quasi tutto in elio, l'interno del Sole riprenderà la sua contrazione originaria, le altissime temperature del suo nucleo centrale faranno espandere la superficie esterna e la Terra diventerà pian piano più calda. Alla fine la vita si estinguerà, i mari evaporeranno per ebollizione e la nostra atmosfera si dissolverà nello spazio. Il Sole diventerà una stella gigante rossa che riempirà il cielo avviluppando e divorando i pianeti Mercurio e Venere e, molto probabilmente, anche la Terra. Il Sistema Solare interno verrà a trovarsi all'interno del Sole stesso. Ma, forse per quell'epoca i nostri discendenti si saranno trasferiti su qualche altro mondo. Nella sua agonia il Sole tenterà a pulsare lentamente, a quel punto il suo nucleo centrale sarà diventato talmente caldo da trasformare momentaneamente l'elio in carbonio. La cenere prodotta dalla fusione nucleare di oggi diventerà il carburante che alimenterà il Sole prossimo alla sua fine, durante lo stato di gigante rossa. Poi, il Sole disperderà nello spazio grandi quantità della sua atmosfera esterna. Visto da un altro punto dello spazio, il nostro Sistema Solare somiglierà ad una bolla di sapone che si espande, nel cui centro sarà una nana bianca, cioè il nucleo incandescente del Sole ormai in vista, avendo il Sole esaurito il suo carburante nucleare ed avviandosi a diventare lentamente una stella morta.

La vita di una comune stella è questa: nasce in una nube di gas, si sviluppa in un sole giallo, invecchia come gigante rossa e muore coome nana bianca.

Supponiamo di poter esaminare un campione del gas freddo e rarefatto proveniente dalle stelle. Vedremo che contiene, in grande preponderanza, idrogeno, un elemento vecchio quanto l'universo. Troveremmo anche carbonio, ossigeno e silicio, sono atomi che abbondano di più nel cosmo, a parte l'idrogeno, e si formano più facilmente nelle stelle. Ma, troveremmo delle piccole quantità di elementi rari. Una stella con una massa superiore più di 1.5 quella del Sole non può diventare una nana bianca, essa, invece, porrà fine alla propria vita facendosi esplodere in una gigantesca esplosione stellare, chiamata supernova.

Nella zona della Galassia dove siamo noi non ci sono state esplosioni di supernovae, almeno alla rivelazione del telescopio, e il nostro Sole non diventerà una supernova. La maggior parte dell'evoluzione di una stella richiede milioni di miliardi di anni, ma il processo di contrazione interna che fa scattare l'esplosione di una supernova richiede solo pochi secondi. All'improvviso, la stella diventa più luminosa di tutte le altre stelle della galassia messe insieme. I frammenti fuoriusciti dall'esplosione viaggiano a grandi velocità. Singoli nuclei atomici, spinti ad altissime velocità dall'esplosione, diventano raggi cosmici. Questo è un altro modo col quale le stelle restituiscono allo spazio che esse stesse hanno sintetizzato. L'onda d'urto dei gas dell'esplosione arroventa il gas interstellare dando l'avvio alla formazione di un'altra generazione di stelle. Anche sotto questo aspetto le stelle sono come l'Araba Fenice rinascono dalle proprie ceneri.

In origine, gli elementi più pesanti si formavano nelle giganti rosse e supernovae, e venivano proiettati nello spazio dove restavano disponibili per successive generazioni di stelle e pianeti. Il nostro Sole è probabilmente una stella della terza generazione. Tutti gli elementi si formarono lontano migliaia di anni luce e miliardi di anni fa. Il nostro pianeta, la nostra società e noi stessi siamo costruiti con materia stellare.

Facciamo un esperimento. Andiamo in un tunnel di lava, una caverna scavata nella terra da un fiume di roccia liquefatta (lava magmatica), e portiamo un contatore geyger, ed abbiamo un pezzo di uranio allo stato grezzo. Ora, il contatore geyger è sensibile alle particelle ad alta carica elettrica, protoni, nuclei di elio, raggi gamma. Se lo avviciniamo al pezzo di uranio grezzo la quantità dei segnali indicanti la presenza di queste particelle aumenta moltissimo. Se mettiamo il pezzo di uranio in un contenitore di piombo, la quantità di segnali diminuisce notevolmente, ma non cessano del tutto. Qual'è la fonte di questi segnali residui? Ebbene, alcuni di essi provengono dalla radioattività propria delle pareti della caverna, ma non si tratta solo di questa. Alcuni dei segnali che ci arrivano sono dovuti alle particelle ad alta energia che penetrano dalla volta della caverna (nel nostro caso), cioè i raggi cosmici.

Ogni secondo, essi penetrano dappertutto, ma non fanno danni, però sono causa di alcune mutazioni e influenzano fortemente la vita sulla Terra. I raggi cosmici, specialmente i protoni, riescono a penetrare attraverso metri di roccia, quindi devono avere un'altissima energia e infatti essi viaggiano quasi alla velocità della luce. I raggi cosmici vengono prodotti duranti le esplosioni stellari e cominciano a viaggiare nello spazio. Nella galassia ci sono delle zone, dove una stella di neutroni o una gigante rossa sono prigioniere di un reciproco abbraccio gravitazionale. La nube di materia della gigante rossa si avviluppa nel disco di materia che circonda il centro della stella di neutroni.

Tutte le stelle vivono in uno stato di tensione tra la forza che la sostiene e la gravità, la forza che tende a farla cadere. Se dovesse prevalere la gravità, ne conseguirebbe una sorta di follia stellare.

Sulla Terra l'attrazione gravitazionale è 1g, dove la g sta per gravità terrestre. Cosa succederebbe se aumentassimo o diminuissimo questa forza? Con gravità minore le cose diventano più leggere, vicino a 0g il minimo movimento fa galleggiare e rotolare tutte le cose nell'aria. Se aumentiamo la gravità, tutto ripiombe sulla Terra. A gravità di 2 o 3g è il caso di dire che ci si sente inchiodati a terra, si è pesanti come il piombo. Alla gravità di migliaia di g, gli alberi diventano orizzontali, e a centinaia di migliaia di g le rocce si sgretolano sotto il loro stesso peso.

Fino a questi valori di gravità un raggio di luce non subirebbe alcun effetto e continuerebbe a irradiarsi in linea retta. Ma, a un milione di g anche un raggio di luce subirebbe la gravità e comincerebbe a ripiegarsi su se stesso. Un luogo così, dove la gravità è talmente alta che neanche la luce può irradiarsi si chiama buco nero, è una stella che tiene prigioniera la sua stessa luce.

I buchi neri furono concepiti come formulazioni teoriche intorno al 1783 (dallo scienziato francese Pierre Simon de Laplace). Oggi, forse, c'è una probabile candidata per buco nero, si tratta della stella Cygnus I, che ha una compagna invisibile dalla massa notevole. Si è scoperto che la compagna è una sorgente molto intensa di raggi X, ed è stata chiamata Cygnus X-I. Si pensa che i raggi X siano generati dall'attrito del disco di materia che circonda e sta cadendo sul buco nero. La materia del disco sparisce lentamente nel buco nero.

I buchi neri di grande massa, frutto della contrazione di miliardi di soli, potrebbero anche trovarsi al centro di altre galassie e produrre enormi fasci di radiazioni che si perdono nello spazio. Ad una certa densità piuttosto alta, la stella brilla ad intermittenza e svanisce dal nostro universo. Scivola via attraverso un'apertura da essa stessa prodotta verso la continuità spazio-tempo, un buco nero è il posto dove una volta c'era una stella.

Consideriamo una superficie piana a due dimensioni, con un reticolato, una specie di carta millimetrata. Immaginiamo di prendere una massa non molto grande, di farla cadere su questa superficie e di osservare come la superficie si distorce o fa delle pieghe formando la terza dimensione fisica. La gravità causa la curvatura dello spazio. Se una sfera si avvicina ad una distorsione stabile, le gira intorno come il pianeta gira intorno al suo sole. Secondo questa interpretazione, dovuta ad Einstein, la gravità produce una piega nel tessuto dello spazio. Lo spazio viene piegato dalla massa creando un ulteriore dimensione fisica. Maggiore è la massa locale e maggiore risulta la gravità locale, più rilevante diventa la distorsione e la piega della curvatura delo spazio. Quindi, in base a questa analogia un buco nero è una specie di pozzo senza fondo.

Cosa accadrebbe a caderci dentro?
Ammesso che si riuscisse a sopravvivere alle correnti gravitazionali e all'intenso flusso di radiazioni, si può ammettere solo come ipotesi che, dopo essere precipitati in un buco nero, si potrebbe riemergere in un'altra parte dello spazio e del tempo. In questa visione, lo spazio sarebbe un intreccio, un reticolato molto piccolo di tunnel, come quelli scavati dai vermi dentro una mela, è d'obbligo aggiungere che questa è un ipotesi mai dimostrata, si tratta soltanto di una speculazione affascinante. Se fosse vera, allora potrebbero anche esistere dei tunnel a gravità, una sorta di metropolitana interstellare o intergalattica che ci permetterebbe di andare da un capo all'altro dello spazio in un tempo molto minore del solito.

Noi non possiamo creare dei buchi neri, la nostra tecnologia è ancora troppo indietro. Ma, forse un giorno sarà possibile viaggiare per centinaia di anni luce fino a tuffarci in un buco nero per poi riemergere in uno spazio e tempo diversi. Forse il cosmo è infestato da buchi neri, ognuno dei quali ci conduce in un posto, forse esistono altre civiltà con tecnologia enormemente più avanzata della nostra. Un buco nero è, forse, la porta che si apre su un altro universo completamente diverso dal nostro.

La lenta metamorfosi delle stelle ci sembra un fenomeno molto distante dall'esperienza umana, eppure noi siamo legati molto intimamente ai loro cicli vitali. La materia che compone noi uomini venne a a formarsi molto tempo fa, in qualche gigante rossa. "Un filo d'erba è il frutto della dura giornata delle stelle". La formazione del Sistema Solare potrebbe essere stata avviata dall'esplosione di una supernova. I raggi ultravioletti del Sole penetrarono nell'atmosfera generarono i fulmini, quest'energia fu la scintilla che diede origine alla vita. Le piante raccolgono la luce solare trasformandola in energia chimica. Noi uomini, come tutti gli altri animali, siamo parassiti delle piante. L'evoluzione della vita è regolata dalle mutazioni, che sono causate in parte dalla radioattività naturale e dai raggi cosmici.

I nostri antenati adoravano il Sole e in questo erano tutt'altro che stupidi, è più che naturale adorare il Sole e le stelle, perchè noi siamo i loro figli. Tutto intorno alla Via Lattea c'è un alone di materia che comprende gli ammassi globulari, ognuno dei quali contiene fino a un milione di stelle. Al centro degli ammassi globulari e nel nucleo centrale della galassia potrebbero esserci buchi neri dalla massa enorme.

Sulla Terra noi ammiriamo, e giustamente, il ritorno quotidiano del nostro unico Sole. Ma, da un pianeta orbitante intorno a una stella facente parte di un ammasso globulare si assisterebbe ad un'alba ben più grandiosa, non il sorgere di un sole, ma il sorgere di un'intera galassia, un'aurora creata da 400 miliardi di soli. Il sorgere della Via Lattea. Noi siamo fatti di atomi e di stelle, la nostra materia e la nostra forma sono determinati dal cosmo, di cui siamo fatti.

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