La Teoria del Big Bang

LA Teoria del Big Bang è la teoria dell'evoluzione dell'Universo, dall'istante della "Creazione" in poi, con particolare attenzione su ciò che è avvenuto nei primissimi tempi. Dunque "Creazione" corrisponde a tempo = 0 ; mentre Teoria del Big Bang corrisponde invece a tempo > 0. La Creazione corrisponde all'istante in cui le Leggi della Natura, é lo spazio-tempo vengono ad esistere dal Nulla Assoluto ; le successive "creazioni" corrispondono all'apparire, conformemente alle preesistenti leggi, di entità fisiche che in precedenza non si trovavano ancora. Per le varie creazioni, dunque, ha senso parlare di "prima", mentre non ha senso parlarne per la Creazione, in quanto essa coincide con l'apparire del concetto di "tempo".

Come si è giunti al Big Bang.

Nel 1916, Einstein pubblicò la sua Teoria della Relatività generale. Essa pose fine ad una disputa secolare sull'azione a distanza che prima arrovellato perfino lo stesso Newton é cioè di come era possibile che due oggetti distanti tra loro, tra i quali c'è il vuoto (come la Terra é il Sole), subiscano una attrazione reciproca é di che cosa fosse fatto questo mediatore fisico che faceva da elastico. La Teoria della Relatività generale risolve questo problema mostrando che lo spazio tempo possiede, punto per punto, una geometria non rettilinea dovuta alla presenza di masse, é che gli oggetti che vi sono immersi non fanno altro che seguire passivamente i percorsi curvilinei delineati da questa geometria. Questa teoria, che descrive la geometria dello spazio tempo, fu applicata all'Universo nel suo insieme. Sorprendentemente, tutte le soluzioni possibili di Einstein mostrarono che l'Universo non può essere "stazionario" su vasta scala, come si era da sempre assunto, ma doveva essere o in contrazione o in espansione. La necessità a di considerare un universo non "stazionario" non si sentiva da nessuna parte é Einstein stesso si sentì costretto a inserire un nuovo termine detto "costante cosmologica", (cosa di cui egli stesso si pentì) essa applicata alle sue equazioni consentiva descrizione di universi "stazionari".
Contemporaneamente Hubble già disponeva di prove osservative che indicavano un'espansione dell'Universo, proprio come previsto da Einstein nella sua Teoria della Relatività generale nella forma originaria, cosa che per Hubble era incredibile é non la rese pubblica fino al 1929 dopo essersi reso conto che i dati sperimentali erano certi.
L'approssimazione con cui Hubble fu in grado di valutare il valore numerico del fattore di espansione era molto ampio, ma al di là di ogni possibile dubbio le sue osservazioni dimostravano senza ombra di dubbio che l'universo si stava espandendo.
Hubble ipotizzò che tutte le galassie di un certo tipo abbiamo la stessa luminosità intrinseca é dedusse che più piccole é meno luminose apparivano, più dovevano essere lontane da lui ed in modo calcolabile. Prendendo poi in considerazione gli spettri si accorse che la luce che emetteva era spostata verso il rosso tanto più quanto erano lontane. Interpretando tale arrossamento come effetto Doppler, giunse alla conclusione che le galassie si allontanano da noi quanto più velocemente quanto più sono lontane.
La constatazione che l'Universo si espande può far nascere delle domande più che legittime : se tutte le galassie si allontanano simmetricamente dalle Terra vuol dire che la Terra è al centro dell'Universo ? Se la velocità delle galassie è proporzionale alla distanza, è possibile che esistano galassie così distanti che la velocità di allontanamento sia pari a quella della luce ? Cosa avverrà oltre ? La Teoria della Relatività Speciale non proibisce tutto ciò ?
La risposta a queste domande è che noi non siamo al centro dell'Universo perché una situazione come quella descritta é perfettamente simmetrica dovunque, se ci spostiamo dalla Terra a un punto qualsiasi, per quanto lontano, troveremo che anche da quella posizione le galassie si allontanano in modo "simmetrico" tra di loro. Non esiste un punto geometrico dell'Universo é quindi un punto di osservazione equivale l'altro. Per rispondere alla seconda domanda bisogna tenere conto che le galassie non si "allontanano" tra di loro come un treno sui binari dalla propria stazione. E' il "tessuto spaziale" che si "dilata" é "trascina" con se le galassie. L'esplosione dell'universo non è l'esplosione di una bomba che proietta le schegge attorno a se in uno spazio già preesistente. Si tratta piuttosto di un aumento "della quantità di spazio". Dato che la Teoria della Relatività Speciale fa riferimento a uno spazio tempo "statico" essa non ha alcun potere su questa "espansione" dello spazio, quindi potrebbe essere che l'Universo nella sua totalità sia infinito é che parti infinitamente lontane si espandano a velocità infinite. L'orizzonte che delimita la frazione di Universo con cui possiamo interagire è dato proprio da quelle galassie che, allontanandosi "quasi" alla velocità della luce. Riescono ancora a inviarci fotoni che, per effetto Doppler, sono spostati a lunghezze d'onda sempre maggiori, ed energie sempre minori, fino a svanire del tutto.
Fatte queste premesse dato che due oggetti si allontanano con velocità proporzionale alla distanza ed il fattore di proporzionalità è finito, basterà risalire all'indietro nel tempo in una quantità finita per raggiungere il momento in cui tutte le parti costituenti l'Universo (materia, energia, spazio é tempo) erano concentrate in un solo punto da cui è partita l'espansione o il Big Bang.

I tempi del Big Bang

Al giorno d 'oggi, noi osserviamo un certo ritmo di espansione dell'Universo, ma sappiamo che tale ritmo doveva essere maggiore in passato, poiché l'attrazione gravitazionale della stessa materia che compone l'Universo lo ha, col passare del tempo, un po' diminuito. Per calcolare quanto tempo fa ha avuto luogo il Big Bang, dunque, bisogna conoscere con esattezza due quantità: l'attuale tasso di espansione. é la densità media dell'Universo, da cui ricavare le informazioni sul rallentamento dell'espansione.

Purtroppo, nessuna delle due quantità è nota con la precisione che desidereremmo. Il ritmo di espansione viene definito "costante di Hubble" (abbreviato in Ho), é viene misurato in chilometri al secondo per megaparsec (il che vuoi dire che un oggetto distante
da noi M megaparsec si allontana con una velocità pari ad M * Ho/Km sec. ). Una formula semplice consente di calcolare I 'età dell'Universo, espressa in miliardi di anni:

età = 1OOO C/Ho

laddove C è una funzione del rallentamento dell'espansione che, per il momento, si può porre C = 1. Dunque, se Ho = 5O Km/ sec*Mpc età =20 miliardi di anni mentre, se Ho=100, età' =10. Molti ricercatori propendono per un valore di Ho compreso tra 50 é 60, adducendo ottimi motivi. Purtroppo, altrettanto buoni motivi sono addotti da ricercatori che propendono per un valore di Ho tra 80 é 100. C'è poi il rallentamento. In questo caso, il problema è molto controverso, é non solo per quanto riguarda età dell'Universo. Per ora teorie (ed osservazioni) rivali affermano che il coefficiente C che compare nella formula precedente, difficilmente può essere maggiore di 0,85, é difficilmente minore di 0.67. Dunque, il Big Bang può essere avvenuto tra un massimo di 17 miliardi, ed un minimo di 6.7 miliardi di anni fa. Una grande incertezza incertezza. Una certa serie di indizi sembra comunque escludere la cifra più bassa (già età dei sole è 4,7 miliardi di anni, é prima della nascita del sole debbono essersi evolute diverse generazioni di stelle, per non parlare di almeno un miliardo di anni necessario per la formazione della galassia):probabilmente, come spesso avviene, la verità sta nel mezzo, é la vera età dell'Universo si aggira nell'intervallo tra 11 é 14 miliardi di anni.
Da quello che si è detto prima scaturisce una polemica "conflitto di età" é cioè che l'età dell'Universo, che non può superare i 14 - 15 miliardi di anni, non si concilia con l'età degli Ammassi Globulari che, secondo alcune versioni della teoria dell'evoluzione stellare, non può essere inferiore a 16 - 20 miliardi di anni. Dunque, si è parlato di "crisi" o perfino di "morte" del Big Bang, ma le conclusioni sono affrettate, in primo luogo, l'età degli Ammassi Globulari è ben lungi dall'essere determinata con l'accuratezza che alcuni astrofisici sostengono. Quando si mettono a confronto in modo critico i risultati teorici ed osservativi più recenti, si scopre che questa età può essere fatta scendere in, modo consistente, fino ad 11 o 12 miliardi di anni, senza andare contro il quadro teorico é sperimentale gli scienziati dispongono é poi c'è da tenere in considerazione la costante cosmologica di Einstein . Nel caso in cui essa fosse diversa da zero, l'universo, dopo una prima fase di espansione, si sarebbe "fermato" per un certo numero M di miliardi di anni, per poi riprendere ad espandersi.

Il meccanismo del Big Bang

Si è accennato alla Teoria della Relatività Generale, come teoria della gravitazione. La gravitazione, però, è solo una delle quattro forze o meglio: "interazioni" che, per quel che si ritiene sapere oggi, governano l'Universo. Le altre tre sono: l'interazione elettromagnetica, quella cosiddetta "debole" (che presiede a tutta una famiglia di decadimenti radioattivi), é l'interazione "di colore" che una volta era detta "interazione forte" (che tiene assieme nuclei atomici é particelle elementari). Queste ultime tre interazioni, vengono oggi descritte in base alla Teoria Quantistica dei Campi.
Ciascuna delle quattro interazioni non è altro che una manifestazione particolare di una interazione unica, ancor più fondamentale. Si è dunque alla ricerca della cosiddetta "Teoria del Tutto", che comprenderebbe tutte le leggi della fisica in un'unica formulazione. Se riuscissimo a riprodurre in laboratorio energie (o temperature) così elevate come quelle esistenti subito dopo il Big Bang, potremmo sperimentare questa unificazione delle quattro interazioni. Ma perfino con i più grandi acceleratori di particelle esistenti al mondo, siamo ancora miliardi di miliardi di volte al disotto delle energie necessarie. Secondo i fondamenti della Teoria del Tutto immediatamente dopo il Big Bang le quattro interazioni fondamentali sarebbero state unite ed indistinguibili l'una dall'altra. Ci sarebbe stata dunque un 'unica 'forza "della natura, mentre le cariche elettriche, quelle nucleari, la gravitazione eccetera non sarebbero ancora state presenti. Giunti però a tempo -44 (cioè ad una frazione di secondo con 44 zeri dopo la virgola), l'interazione gravitazionale si sarebbe "staccata" dalle altre tre é sarebbe apparsa per la prima volta la forza di gravità propriamente detta perché la temperatura era ormai scesa al disotto del minimo indispensabile a mantenere unificazione delle interazioni.
Scendendo, a tempo -33 si sarebbe poi "staccata" l'interazione di colore, ed a quell'istante sarebbero dunque comparsi i quark (o per meglio dire: dei pesanti agglomerati di quark), che oggi sono ritenuti mattoni costituenti la materia. A tempo -9 si sarebbero divise le due interazioni restanti, é cioè la debole é l'elettromagnetica, mentre a tempo -2 i protoni sarebbero diventati stabili, ed a tempo O (e quindi ad un secondo dal Big Bang) si sarebbero formati i primi nuclei atomici.
Se dunque fossimo in possesso della Teoria del Tutto, saremmo in grado di delineare con precisione tutti gli avvenimenti occorsi a partire dall'istante tempo = O. Purtroppo, i primi frammenti di Teoria del Tutto di cui disponiamo, ci pongono di fronte ad un problema che, al momento, è irrisolto: la Teoria della Relatività Generale é la Teoria Quantistica del Campi (e cioè le due teorie di base che governano tutte le interazioni conosciute) sono incompatibili tra loro. Sovrapporre la Teoria della Relatività Generale con la Teoria Quantistica dei Campi, quando questa erano una sola, porta ad assurdità logiche, mentre se prese singolarmente sono perfettamente efficienti ; ciò porta alla formazione di un orizzonte che corrisponde a tempo -44 nel quale esse si sono divise. Il tempo -44 non può attualmente essere indagato in via di principio é quindi rappresenta per la scienza, in qualche modo, il vero inizio dei tempi. In quell'istante l'Universo era composto da un magma di particelle super-pesanti (tra cui le particelle X ed Y, ipotizzate che sono un passo intermedio verso la Teoria del Tutto ma ancora mai osservate) che collidevano é si trasformavano le une nelle altre. Materia ed antimateria erano, in quel momento, in equilibrio tra loro. Giunti a tempo -37, secondo alcune teorie si verificò un evento di particolare interesse per i futuri destini dell'Universo: l'inflazione. Schematizzando molto, si può dire che il Vuoto cambia di stato (il Vuoto, quindi, è profondamente diverso dal Nulla; il Vuoto contiene già le leggi della natura é può sussistere in molti stati). In un certo senso, prima di quel tempo il Vuoto era troppo "compresso" per liberarsi di un eccesso di energia che possedeva, é se ne liberò appena possibile, cedendola allo spaziotempo stesso, la cui espansione venne così tremendamente accelerata. Bisogna ricordare che questa espansione, non essendo una "velocità" fisica, ma una dilatazione dello "spazio" in quanto tale, non è condizionata dalla velocità della luce, durante l'inflazione ogni singola "regione" componente l'Universo si dilata di un ammontare spropositato, un uno seguilo da cinquanta o sessanta zeri prima della virgola. Senza inflazione, la frazione di universo che oggi è accessibile alle osservazioni aveva, all 'istante iniziale, una dimensione di circa -35, espressa come logaritmo di una distanza in centimetri. Con l 'inflazione, la dimensione iniziale dello stesso ammontare attuale di spazio era forse -90 -100. I 'inflazione termina a tempo -34, lasciando una conseguenza molto importante. Se prima esistevano, da un punto all'altro del proto-Universo, fluttuazioni di densità o temperatura, il fatto di aver dilatato immensamente regioni minuscole, all'interno delle quali le fluttuazioni non potevano essere che trascurabili, ha reso pressochè omogenee delle zone vastissime di spazio. Prima che si pensasse all'inflazione, i cosmologi non sapevano dare spiegazione all'apparente omogeneità dell'Universo su vasta scala, é specialmente dall'omogeneità della famosa radiazione di fondo a 2.73 gradi Kelvin. Tutto sta ad indicare che questa omogeneità sia proprio la conseguenza dell'inflazione, la quale sembra quindi risolvere il problema.
A tempo -33 la temperatura diminuisce via via (a questo punto la temperatura é scesa a un milione di miliardi di miliardi digradi) é le collisioni tra le particelle non sono più violente come prima. Gli urti non riescono più a creare particelle X ed Y, é queste decadono rapidamente in quark ed antiquark. Se questo decadimento fosse stato del tutto simmetrico non ci sarebbe materia nell'Universo. é certo però (anche se non si è codificato in modo soddisfacente questa legge di natura) che, su un miliardo di antiparticelle che vengono create, viene creato un miliardo di particelle più una. Ed è proprio quest'ultima che sopravvive all 'annichilazione generale lasciando come residuo tutta la materia oggi esistente. Si potrebbe dire che le leggi della natura sono asimmetriche per una parte su un miliardo, ed in assenza di questa provvidenziale asimmetria non esisterebbe la materia, il tempo, forse lo spazio stesso; in pratica non esisterebbe nulla. Che ci sia stata questa asimmetria proprio in quel preciso istante, ce lo dice anche un 'altra osservazione ; i fotoni, che in precedenza erano in equilibrio statistico con le particelle/antiparticelle X é Y, si separano quando queste ultime decadono, contando i fotoni, è possibile sapere anche quante particelle esistevano a quel momento. Il risultato è che oggi esistono un miliardo di fotoni per ogni protone é ciò ci conferma proprio che l'asimmetria materia/antimateria è stata di una parte su un miliardo. A tempo -10 l'Universo si è raffreddato a tal punto (centomila miliardi di gradi) da rientrare ormai nei limiti raggiungibili dai più potenti acceleratori di particelle A tempo - 9 le particelle W é Z mediatrici dell'interazione debole decadono in elettroni é fotoni. Quando poi l'Universo raggiunge l'età di un millesimo di secondo, i pesanti aggregati di quark che ancora sopravvivono possono finalmente decadere é generare i primi protoni. Si è ormai in presenza della materia ordinaria, che si conosce bene. Protoni, dunque che collidono tra di loro per fondere é formare nuclei più pesanti. Però finché la temperatura non scende al disotto di qualche miliardo di gradi, l'energia dei fotoni è tale da spezzare immediatamente questi nuclei appena formati. Dopo un età di qualche secondo, prima che i fotoni si perdano energia a sufficienza da lasciare avvenire la nucleosintesi. Si formano subito nuclei di deuterio, di elio 3 ed elio 4. Poi, però, la catena si interrompe. infatti, se l'elio 4 assorbe un ulteriore protone, il nucleo prodotto non è stabile é decade immediatamente, é la stessa cosa avviene se due nuclei di elio 4 fondono assieme. Al massimo, sporadiche collisioni tra elio 3 ed elio 4 possono condurre come risultato finale ad una minuscola abbondanza di litio 7.
Una certa parte dei protoni presenti, per qualche minuto, va in elio 4, é in altri residui. Poi, anche le reazioni nucleari cessano perché temperatura é densità sono scese ulteriormente. Alla fine, circa il 25% della materia è composto da elio 4, ed il restante da idrogeno. Dopo un milione di anni, quando la temperatura scende al disotto di 5000 gradi, gli elettroni liberi, cominciano a legarsi ai nuclei atomici ; tale fase viene detta ricombinazione. Il plasma o gas ionizzato, componente l'Universo fino a quel momento, diventa un gas normale, non ionizzato. I fotoni, che prima erano continuamente intercettati é diffusi dagli elettroni liberi, ora non trovano più alcun ostacolo, poiché la materia è all 'improvviso diventata trasparente. Osservando i fotoni provenienti dalle zone più importanti dello spazio è emerso il "muro" opaco di radiazione, al di là del quale non è possibile vedere nulla. Vale la pena di ricordare che la famosa radiazione di fondo a 2.73 gradi assoluti, rivelata per la prima volta nel 1964, non è altro che la radiazione emersa dalla ricombinazione é raffreddata dall'espansione generale dell'Universo fino alla bassissima temperatura di oggi. Dubitare del Big Bang in presenza di questa radiazione di fondo, sarebbe come dubitare che siano mai esistiti i dinosauri, trovandosi di fronte ai loro scheletri fossilizzati. Le residue fluttuazioni locali di densità hanno dato luogo ad addensamenti che, nel tempo, sono evoluti come ammassi di galassie, é poi galassie é stelle fino alla situazione che conosciamo.

Il Big Crunch.

Fissato il tasso di espansione attuale dell'Universo, se noi conoscessimo esattamente la densità di materia/energia presente nell'Universo stesso, saremmo in grado di sapere se la gravità esercitata da questa materia/energia è sufficiente a rallentare l'espansione fino a farla cessare del tutto, é poi a far ricollassare l'Universo, oppure se la densità è insufficiente, é 1' Universo è destinato ad espandersi indefinitamente. Indicando con Dc la cosiddetta "densità critica", intesa come la densità appena sufficiente a far arrestare dopo un tempo infinito 1'espansione dell'Universo, se la densità vera è D < Dc abbiamo davanti a noi un futuro infinito, mentre se D > Dc si avrà il Big Crunch.
Anche se non si sa ancora la risposta definitiva a qualche certezza gli scienziati erano arrivati alla conclusione che se ci si limitava a considerare la materia ordinaria (quella che compone le stelle é le nubi di gas all'interno ed all'esterno delle galassie), si avevano buoni motivi per ritenere che essa fosse insufficiente a generare l'attrazione gravitazionale necessaria a far ricollassare l'Universo. Ultimamente osservando la rotazione delle galassie a spirale, ci si è accorti che essa è troppo elevata per permettere alla materia visibile che le compone di rimanere unita per gravità contro la forza centrifuga generata dalla rotazione ; tale massa, non visibile, è di composizione ignota ed è circa 10 volte quella visibile. Questa materia oscura potrebbe essere fatta di neutrini se essi non risultassero del tutto privi di massa, é se anzi la loro massa fosse considerevolmente grande, potrebbero essere proprio loro i responsabili dell'arresto dell'espansione dell'Universo. In alternativa, é stato ipotizzato che 1'Universo sia pieno di enormi quantità di particelle definite "esotiche", che ancora non conosciamo, é che non interagiscono quasi per niente con la materia ordinaria. Tali particelle sono state per esempio ipotizzate da alcune riguardanti i primi istanti dell'Universo.

Evoluzione Stellare .

All'inizio, l'elemento che costituiva il neo-universo era l'idrogeno che cominciò ad aggregarsi in nubi gigantesche grazie alla sua stessa attrazione gravitazionale. Si costituirono così insiemi di nubi enormi che daranno forma alle future galassie !
Ogni aggregamento di idrogeno iniziò a ruotare sotto la spinta della sua stessa forza di gravità richiamando inoltre, grazie alla sua massa sempre più consistente, altro idrogeno. All'interno di questa nube la temperatura é la pressione aumentano sempre
finchè ad una temperatura di 15 milioni di gradi Kelvin é densità di 134 g/cm3 si innescano reazioni di fusione nucleare che trasformano l'idrogeno in elio secondo la catena protone protone :

a) Due protoni (cioè due nuclei di idrogeno) si uniscono é danno luogo ad un nucleo di deuterio con emissione di un positrone (anti-elettrone) é di un neutrino b) il deuterio cattura un protone é si forma elio3 con emissione di un fotone c) due nuclei di elio 3 si incontrano formandone uno di elio 4 con l'emissione di 2 protoni. In questo processo 4 protoni si trasformano in un nucleo di elio 4 ma in tale processo una parte della massa "scompare" é si trasforma in energia ; la massa atomica complessiva dei protoni che si uniscono è di 4,032 (4X1.008) mentre quella dell'elio 4 è di 4.003, per. Per ogni nucleo di elio 4 che si forma si perde il 0,7% della massa che si converte in energia secondo la relazione E=mc2 . La fusione nucleare é un processo molto lento nel sole perché è bassa la probabilità che vengono in contatto due protoni per innescare la catena, un protone può muoversi a velocità di migliaia di Km/s per milioni di anni prima di dar luogo a processi di fusione. Attualmente nella nostra stella ogni secondo 564,5 milioni tonnellate di idrogeno si trasformano in 560 milioni tonnellate di elio con una perdita di massa di 4,5 milioni di tonnellate.

Una volta innescata la reazione la protostella inizia a bloccare l'apprivvogionamento di materiale tramite al suo vento stellare un flusso di particelle cariche (protoni, elettroni, nuclei di elio) che viaggia a centinaia di km/sec é che blocca l'afflusso di altro idrogeno (per questo i pianeti più vicini al Sole sono rocciosi mentre quelli più lontani sono giganti gassosi).
Completato il processo la stella entra in uno stato stazionario in cui la "pressione nucleare" contrasta la forza di gravità che tenderebbe a contrarla, questo stato può variare da centinaia di milioni a una decina di miliardi di anni a seconda della sua massa (le stelle massicce "bruciano" più velocemente delle altre il loro idrogeno).
Esaurito l'idrogeno il nucleo si contrae é la sua temperatura aumenta di conseguenza a 100 milioni di gradi kelvin, mentre la sua superficie si espande enormemente dilatandosi é raffreddandosi (stato di gigante rossa), se l'espansione supera il punto di equilibrio tra forza di gravità é forza nucleare essa si contrarrà é poi si espanderà dando l'impressione di pulsare.
Finito l'elio il nucleo si contrarrà di nuovo é la sua temperatura aumenterà ancora fino all'innesco di nuove fusioni ; tale processo però è destinato ad esaurirsi prima p poi a seconda della massa della stella, comunque non andrà oltre il ferro (elemento dopo il quale le reazioni di fusione nucleare richiedono energia).
Se la stella ha una massa iniziale di poco inferiore a quella del Sole essa non andrà avanti oltre l'elio é si contrarrà inerte fino ad un astro delle dimensioni poco inferiori della Terra riscaldandosi durante il processo. La materia che la compone è degenere : un mare di elettroni in cui sono immersi i nuclei degli atomi. La nuova stella si chiamerà nana bianca , che non ha fonti energetiche é quindi si raffredderà lentamente fino a diventare un corpo inerte chiamato nana nera.
Le stelle con massa iniziale compresa tra le 0,8 é 8 masse solari arrivata allo stadio di gigante rossa (non più avanti dell'elio) iniziano ad espellere gli strati esterni al nucleo con il loro vento solare, questi strati formeranno un involucro in espansione chiamato nebulosa planetaria illuminato dall'ormai messo a nudo é compatto nucleo. Dopo alcune centinaia di anni le reazioni si arresteranno é il nucleo diverrà una nana bianca che perderà gradualmente luminosità.
Se la stella ha una massa ancora maggiore una volta arrivata al ferro collasserà su se stessa in pochi istanti, gli atomi si disintegreranno, i protoni ed elettroni si uniranno diventando neutroni che si aggiungeranno agli altri. I protoni inoltre precipiteranno verso il centro con una velocità di circa 70.000 Km/s formando un compatto corpo centrale. Il nucleo in agonia invierà inoltre una tremenda onda d'urto verso l'alto che proietterà via gli strati superficiali della stella con una tremenda esplosione detta Supernova che farà brillare la stella con un'intensità milioni di miliardi di volte maggiore quella del Sole per settimane.
Il corpo centrale che si è formato andrà incontro a due destini diversi a secondo della massa iniziale della stella.
Se la massa è poca essa diventerà un corpo grande all'incirca 20 Km chiamato Pulsar o Stella di neutroni che ruoterà molto velocemente per la conservazione del momento angolare. L'energia emessa dalla stella (raggi x é gamma, onde radio é luce) verrà condizionata dal campo magnetico che è fortissimo é la farà apparire come una sorgente intermittente
Se la massa è superiore ad una certa soglia, i neutroni si spaccheranno é la stella si contrarrà in un corpo di volume che tende a zero é con un campo gravitazionale con una velocità di fuga superiore a quella della luce. Anche se questo corpo, chiamato buco nero, emettesse una qualsiasi radiazione elettromagnetica essa ricadrebbe sul corpo stesso ; qualsiasi cosa che entrerebbe nello spazio perturbato intorno al buco nero (persino la luce) verrebbe attratta senza più avere la possibilità di sfuggire.
Viene da domandarsi perché nell'universo esistono elementi con numero atomico maggiore di quello del ferro, la risposta è che durante l'esplosione si raggiungono temperature enormi capaci di far fondere gli atomi di ferro in elementi con numero atomico ancora più pesante, questo materiale espulso va inoltre a "inquinare" altre nebulose con stelle in formazione. Quindi il nostro Sole, se si considerano gli elementi m che si trovano sulla Terra è una stella di 3° - 4 ° generazione !

Le nane bianche é la materia degenere

L'osservazione delle stelle morte, pochissimo luminose é molto lontane, è nella pratica estremamente difficile: esse sfuggono anche all'osservazione professionale. Una certa categoria di stelle, quelle che stanno al centro delle nebulose planetarie, hanno un involucro nebuloso a forma di anello che circonda la stella. Talvolta esso è facile da vedere, come nel caso della nebulosa anulare della Lira; in altri casi è invece più difficile da osservare direttamente nel telescopio ed eventualmente è assai più facile vederlo per mezzo della fotografia. Dunque, questa tecnica osservativa è riservata soltanto ai dilettanti più abili e più attrezzati. Una ricerca interessante é quella di una nana bianca vicina ad una stella luminosa, come, per esempio, Sirio B, la compagna che ruota intorno a Sirio. Purtroppo anche in questo caso é molto difficile osservare questa stella, a causa della grandissima luce di Sirio che abbaglia, impedendo di vedere quella estremamente più debole del suo compagno defunto. In effetti, nel secolo passato si era pensato che la perturbazione sulla componente principale di Sirio, dovuta alla massa della stella morta, fosse dovuta a un corpo senza luce, cioè un pianeta. Questo perché a quei tempi non si sapeva che la materia stellare quando la stella muore, cioè termina la sua vita energetica normale, non si assesta secondo la struttura di un pianeta, ma secondo quella di un astro molta caldo che differisce molto dalla struttura di un corpo, appunto come la Terra o come gli altri componenti del Sistema Solare. Qui occorre aprire una parentesi. Quando si parla di materia densa di un pianeta, si sa che già nell'interno del corpo di un astro come la Terra la pressione dovuta al peso degli strati sovrastanti é cosi forte che le sostanze vengono compresse ad una densità maggiore di quella normale. Per esempio, al centro della Terra, il ferro arriva ad una densità ben superiore al valore che ha alla superficie di 7,85, ma poi, anche per la presenza di una certa percentuale di nichel, sale fino a 10. Tuttavia una stella che muore é solitamente un astro con una massa che é enormemente superiore a quella della Terra. Ed é quest'enorme massa che genera all'interno dell'astro una pressione cosi elevata da far si che la materia si assesti in un modo differente da quello del centro della Terra o di un altro pianeta solare. In particolare, quando, a causa della cessazione delle reazioni termonucleari, la stella termina la sua vita normale, se la sua massa é inferiore a circa una volta e mezzo a quella del Sole, allora comincia a comprimersi e in questa compressione si riscalda. Ma questo riscaldamento non può più accendere alcuna reazione termonucleare, perché i nuclei di cui é composta la materia stellare sono ormai inabili a sostenerla. A questo punto la materia é completamente ionizzata, cioè composta di nuclei privi di elettroni e di un gas di elettroni che si muove fra questi nuclei senza che gli elettroni stessi siano ad essi legati su orbite definite. Materia di questo tipo ha la possibilità di comprimersi enormemente e questo fa si che la stella possa ridursi di volume e, pur possedendo una massa che è paragonabile a quella del Sole, può arrivare ad un volume che è quello della Terra, cioè in pratica almeno un milione di volte minore di quello solare.
Quindi la densità finale che viene raggiunta da questa materia é dell'ordine di grandezza di centomila volte la densità dell'acqua. Tuttavia vi sono stelle che, alla fine di questo processo, sono ancora più dense, addirittura cento milioni di volte la densità dell'acqua. Ci si deve abituare a queste densità estremamente elevate perché la fine della vita di stelle di massa sempre maggiore danno luogo a corpi finali sempre più densi, come le nane bianche. La struttura interna delle nane bianche, le caratteristiche della materia che le compone dipendono da questi due fatti: l'impossibilita di generare una grande quantità di energia, come avveniva quando era disponibile l'idrogeno per le reazioni termonucleari, e la grande pressione a cui la stella si trova. La materia in questa situazione deve la maggior parte delle sue proprietà alle caratteristiche di questa nuvola di elettroni che permea lo spazio fra un nucleo atomico e l'altro, spazio molto ristretto, in confronto a quello che esiste, quando la materia é rarefatta, all'interno dei nuclei freddi che si trovano alla superficie o all'interno di un pianeta ordinario. Questi elettroni formano il "gas degenere", cioè un gas a cui basta imporre una modestissima compressione per avere un fortissimo aumento di temperatura. é per questo che una contrazione molto modesta della nana bianca può restituirle quella temperatura é di conseguenza quella brillantezza che le sono necessarie per continuare a splendere. La parte più interna di una nana bianca é soggetta ad una pressione cosi elevata che il materiale di cui é composta é sicuramente solido. Questo solido possiede qualità eccezionali: per esempio, oltre all'estrema densità, anche un'estrema rigidezza ed un punto di fusione altissimo, anche cento milioni di gradi. Per questo si può affermare che questa stella sarà quasi interamente solida. Dunque, il cadavere di una stella é un corpo solido come quello di un pianeta, pero estremamente più denso é più rigido, dotato di un punto di fusione assai elevato e caldissimo, tanto caldo che la sua temperatura superficiale lo rende visibile. Tuttavia l'estrema piccolezza di questo astro rispetto alle dimensioni di una stella normale lo rendono dotato di cosi poca superficie che la luce erogata é scarsa é quindi l'astro é invisibile anche a distanze relativamente modeste.

La struttura interna del pulsar

Alla fine della pagina è disegnato uno schema che rappresenta la struttura ipotetica dell'interno di un pulsar. Questa figura non è volutamente molto dettagliata, perché alcune ipotesi che si fanno sulla struttura interna di questo tipo di astro sono ancora abbastanza incerte. Il pulsar in sostanza é costituito da materia nucleare. é noto che gli atomi sono estremamente più voluminosi dei nuclei e, se si potessero strappare dagli atomi tutti gli é elettroni é compattare i nuclei uno accanto all'altro, si otterrebbe una materia di densità straordinariamente elevata. Questa materia, addensata in un astro di modeste dimensioni (non più di 20 km di diametro), genera una pressione interna cosi elevata da essere al di fuori della nostra intuizione. In queste condizioni la materia assume proprietà straordinarie e solo da pochi anni i fisici hanno la possibilità di indagare su di esse. Approssimativamente si può dire che la struttura del pulsar é quella di una sfera che ruota intorno ad un asse meccanico di rotazione (in azzurro, nell'illustrazione). Ad un angolo, che può essere anche molto elevato rispetto a quest'asse di rotazione, si trova l'asse magnetico (in bianco) lungo il quale é attestato un campo di dipolo, cioè di tipo analogo a quello della Terra, con la sola differenza di essere qualcosa come mille miliardi di volte più intenso. Di recente si sono avute conferme della reale esistenza di un campo magnetico così intenso. Questo campo magnetico fa si che, se della materia cade verso il pulsar, in questa caduta si ionizza, cioè diviene conduttrice é alla fine é costretta a seguire le linee i orza del campo magnetico. Ecco perché i fenomeni elettrici é magnetici che avvengono nel pulsar sono prevalentemente concentrati in corrispondenza dei poli: è da quì che parte la radioemissione, è da quì che, se la rotazione meccanica porta alternativamente a vedere e a non vedere i poli, ci si trova nella situazione di avere degli impulsi alternati e con un periodo che è quello della rotazione. All'interno, a causa della fortissima pressione, al di sotto di una crosta solida le particelle nucleari a contatto non sono piu organizzate secondo le caratteristiche di un solido ma secondo quelle di un fluido, anzi secondo quello di un "superfluido", cioè di un liquido assolutamente privo di viscosita. Messo in rotazione entro un recipiente, esso non sfrega contro le pareti di questo, frenandosi, ma continua a girare in eterno. Si ritiene dunque che all'interno di un pulsar il superfluido neutronico ruoti ancora alla velocità che esso aveva quando il pulsar si formò, una velocità spaventosa, di quasi mille giri al secondo. Contraendosi, infatti, l'astro é aumentato di velocità in proporzione alla contrazione stessa. Nel centro l'enorme pressione a cui sono stati sottoposti i neutroni durante il fenomeno di compressione della stella li ha probabilmente trasformati in iperoni. Queste particelle superpesanti sono state definite soltanto in base a considerazioni di carattere puramente teorico, in quanto se esistessero in condizioni fisiche normali della materia, la loro vita media sarebbe cosi breve che praticamente risulterebbe impossibile osservarle.

 

1 LE FRATTURE CROSTALI: Nonostante l'estrema rigidità e robustezza della materia della crosta, la diminuzione progressiva della rotazione porta a una diminuzione della forza centrifuga é quindi il pulsar non è più portato ad espandersi per effetto della sua velocissima rotazione é si contrae é si assesta in un diametro più piccolo frattumandosi.
2 I POLI MAGNETICI: Il pulsar possiede in superficie due poli magnetici in corrispondenza dei quali si radunano le linee di forza. In prossimità di un polo magnetico la materia ionizzata, proveniente dalle nebulosa attraversate dal pulsar é in parte dispersa dall'esplosione della stella che le ha dato origine, può ricadere sul pulsar generando un continuo flusso di radio-onde che la rotazione dell'asse meccanico dei poli orienta verso la Terra, in modo che i radiotelescopi ricevano l'impulso periodico.
3 LE MONTAGNE PIU' ALTE: La materia iperdensa milioni di miliardi di volte più rigida del rigido degli acciai é anche se è così rigida la potente attrazzione gravitazionale impedisce la formazione di <<montagne>> elevate, le irregolarità non superano in centimetro di altezza.
4 VORTICI DEL SUPERFLUIDO: Il superfluido neutronico essendo privo di viscosità esso ruota con la stessa velocità con cui ruotava la pulsar alla nascita. La successiva diminuzione di velocità dovrebbe aver interessato solo la crosta e lasciato inalterata la parte interna, ma si pensa che possano esistere strutture vorticose capaci di scambiare energia con la crosta
5 LE SCARICHE ELETTROSTATICHE: Sulla superficie di un pulsar si possono raccogliere degli eccessi di cariche elettrostatiche che vi rimangono intrappolate. Talvolta, per un arrivo disordinato di materia in prossimità dei suoi poli, del plasma può giungere vicino a queste zone particolarmente cariche. In questo caso fra il plasma é la superficie si generano potentissime scariche elettriche che a loro volta generano delle onde elettromagnetiche percepibili a distanza che sono gli <<interpulsi>>.

La materia iperdensa

Le nane bianche sono costituite in parte da materia solida molto densa. Questa materia è chiamata "superdensa" mentre il termine "iperdensa" é riservato ad astri con densità della materia estremamente superiore. Infatti nelle nane bianche si arriva con difficoltà alle migliaia di chilogrammi per centimetro cubo, mentre in un pulsar si tratta di centinaia di milioni di tonnellate per centimetro cubo! Ricordiamo che questo è il valore della densità é non del peso, che dipende dall'accelerazione di gravita. Quindi sulla superficie della Terra un centimetro cubo peserebbe cento milioni di tonnellate, ma sulla superficie di un pulsar, dove l'accelerazione di gravita é enormemente superiore, ogni centimetro cubo peserebbe milioni di miliardi di volte di più che non cento milioni di tonnellate. La caratteristica più importante della materia che costituisce il pulsar é quella di essere costituita da neutroni posti a contatto. Come mai la materia, che proviene dall'addensamento di nuclei atomici dei più svariati tipi é che quindi contiene una grande quantità di protoni, si é potuta trasformare in materia costituita esclusivamente da neutroni? La ragione é semplice. Il neutrone libero è una particella instabile. Se si producono neutroni in laboratorio é se si lasciano liberi di vagare nello spazio, in quindici minuti metà di essi si è trasformata in protoni, emettendo un elettrone ed altre particelle é liberando energia. Se si comprimono degli elettroni contro dei protoni, rendendo disponibile la stessa quantità di energia, si può avere la reazione detta di "decadimento inverso" del neutrone, cioè l'elettrone penetra nel protone é lo trasforma in un neutrone. Questo è quanto accade nei brevissimi attimi in cui nella catastrofe stellare di supernova una parte della materia dell'astro si addensa nel nucleo. Si passa attraverso stadi di densità sempre superiore finché gli elettroni liberi fra i nuclei di diverso tipo penetrano in essi é producono una materia costituita solo da neutroni. E' un fenomeno analogo a quello per cui nella formazione lenta é progressiva di un pianeta gli atomi, dapprima gassosi, si addensano fino a formare delle strutture cristalline. Dopo che gli atomi sono a contatto, non si può avere ulteriore addensamento, perché la formazione di pianeti avviene con poca materia in un tempo molto lungo.