Che cosa sono le stelle?
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Che cosa sono le stelle?
Le stelle sono enormi
sfere autogravitanti
composte principalente
da gas idrogeno.
Le stelle sono anche motori
termonucelari.
La fusione nucleare ha luogo
in profondità nei nuclei delle
stelle, dove la densità è
estrema e la temperatura
raggiunge decine di milioni di
gradi.
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Equilibrio idrostatico
In una stella stabile, la spinta
della gravità verso il centro è
perfettamente bilanciata
dall’azione verso l’esterno della
pressione, e ciò accade ad ogni
livello di profondità della
struttura.
Questa situazione va sotto il
nome di equilibrio idrostatico.
Le stelle che non sono in equilibrio idrostatico tendono ad
espandersi o a contrarsi.
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Pressione di radiazione
Origine della pressione interna delle stelle:
Pressione dovuta alla materia
Pressione di radiazione
La radiazione è costituita da fotoni, i quali
esercitano pressione sulla materia.
La pressione di radiazione può sopravanzare quella del gas in
condizioni di densità poco elevata e di alta temperatura.
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Da cosa traggono la loro
energia le stelle?
H
He
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Finora si è visto il funzionamento di una
stella che si trova nella fase centrale (e più
duratura) della sua esistenza, cioè lo stadio
evolutivo attraversato
attualmente dal nostro
Sole.
Ora passiamo
a scoprire quando,
dove e come tutto ha
avuto inizio............
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Perché studiare l’evoluzione (ed in
particolare la formazione) delle stelle?
• Perché ci aiuta a far luce sul cammino evolutivo del Sole
e del nostro sistema planetario
• Perché è un importante banco di prova per le
nostre conoscenze di fisica
• Per… desiderio di conoscenza!
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Siti di formazione stellare
Nubi molecolari:
Regioni del piano galattico
costituite da gas
(99% della massa totale),
prevalentemente idrogeno, e
polveri (1%).
Proprietà delle nubi molecolari:
Massa: 10˙000 - 1˙000˙000 masse solari
Dimensioni: 10 - 100 anni-luce
Temperatura: ~10 K
Densità: 100 particelle/cm3
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
L’attività a Lecce
(1)
Gruppo di
Astrofisica
Approccio allo studio
delle nubi giganti per
mezzo dell’analisi
dell’emissione del
tracciante CO
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
L’attività a Lecce
(1)
Gruppo di
Astrofisica
Si nota l’estrema
complessità della
struttura della nube.
E’ evidente la presenza di
clumps, con intensi picchi
corrispondenti alle
sorgenti infrarosse più
brillanti.
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Instabilità gravitazionale
Nelle regioni più dense delle nubi molecolari si
verificano le condizioni ideali perché la gravità possa
innescare il collasso.
Tutto
deve
prendere
avvio
da
un’instabilità
gravitazionale che può essere:
Nube
stella
“vecchia”
Spontanea
Innescata da:
- collisione tra nubi
- azione di venti stellari
- fronti d'urto di supernovae
Nube
compressa
supernova
Onda di
shock
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Gli antagonisti della gravità
Agitazione termica
Turbolenza
Rotazione
Campo magnetico
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
L’approccio teorico di Jeans
Prima ipotesi nebulare di
Kant-Laplace (1775-1796)
Teoria
di Jeans
(1902),
La teoria
di Jeans,
nonostante
approccio
semplice
e
la sua semplicità,
consegue
immediato,
ma molto
diversi successi
nella
significativo.
descrizione delle prime fasi
della formazione di una stella.
Si avvale delle approssimazioni di: nube infinitamente
estesa e isoterma, assenza di rotazione, turbolenza, campi
magnetici.
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Frammentazione della nube
Uno dei risultati pricipali della teoria di Jeans è la determinazione di
una massa critica (“massa di Jeans”) minima, da cui può avere inizio il
collasso. Essa aumenta all’aumentare della temperatura e diminuisce
all’aumentare della densità del gas:
T3
mj 

Nelle condizioni fisiche tipiche delle nubi molecolari,
Mj ≈ 10˙000 M
(si sono trascurati i contributi di energia magnetica, rotazionale e di turbolenza).
E’ evidente, quindi, che la nube iniziale deve frammentarsi in più
nuclei di condensazione.
M = 10 M
10 M  M 10 M
 M  10 M
10 M  M  10 M
Oltretutto,
questo fatto
ha una spiegazione
teorica:10laM massa
di Jeans
10 g cm
ρ = della
10 g cm densità!
ρ = 10 g cm
ρ = 10 g cm
si riduceρ =all’aumentare
4
-23
Davide Elia
Sun
-3
2
4
Sun
-19
Sun
-2
2
Sun
-3
-12
Nascita di una stella
-3
Sun
-2
Sun
2
Sun
-3
21 aprile 2005
Fase di free fall
Una porzione di nube collassa
liberamente verso il centro.
La temperatura si mantiene
pressoché costante perché
l’energia in eccesso sfugge
come radiazione attraverso il
mezzo, ancora
sufficientemente rarefatto.
Una nube di massa 1 M in equilibrio idrostatico alla temperatura di 10 K
ha un raggio di circa 0.3 anni-luce. Se, per qualche ragione, la pressione
del gas cede alla gravità, il tempo di free-fall è di circa 500˙000 anni.
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Accrescimento sul core
idrostatico
Il libero collasso si arresta quando
le mutate condizioni di densità
impongono un nuovo equilibrio
idrostatico alla condensazione
centrale (M < 0.01 M, R ≈1 R).
L’oggetto formatosi al centro è
otticamente spesso, e l’energia in
eccesso viene smaltita soprattutto
grazie all’emissione da polveri.
La materia circostante continua ad
accrescersi sulla protostella (per una
stella di piccola massa, questa fase
può durare anche un milione di anni).
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Conseguenze della rotazione
Rotazione intrinseca
della nube genitrice
Tendenza della materia
in accrescimento a disporsi
sul piano equatoriale
Formazione di un
disco circumstellare
(progenitore di un sistema planetario)
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Perdita di momento angolare
Il momento angolare in eccesso
Davide Elia
-
Resta in parte confinato
nel disco
-
Viene smaltito con getti di
materia lungo le direzioni
polari
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Dischi e getti di materia
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
L’attività a Lecce
(2)
Gruppo di
Astrofisica
Stelle Ae/Be di Herbig:
DISCO
o
INVILUPPO?
La geometria e la composizione della polvere circumstellare
possono fornire valide indicazioni sulla formazione di sistemi
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
protoplanetari
Deuterium burning
Una piccola frazione del gas che
costituisce la protostella è costituita da
deuterio (2H)
Deuterium
burning
innesco di reazioni nucleari
che trasformano il deuterio in elio:
• Temperatura richiesta:
T  1 milione di K
• Aumento del raggio e dell’attività superficiale
(produzione di venti, getti di materia)
Il flash del deuterio provoca l’allontanamento dell’inviluppo
residuo e la fine della fase di accrescimento
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
La stella appare
Deuterium burning
Intensa attività superficiale
Allontanamento di
materia circumstellare
La stella appare
Lento rilascio di energia
gravitazionale
Fase di lenta contrazione
La temperatura
centrale raggiunge 10
milioni di gradi
Davide Elia
Innesco delle reazioni
nucleari
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Masse e tempi evolutivi
Le stelle di grande massa hanno tempi evolutivi più rapidi
rispetto a quelle piccole:
Fase di lenta
contrazione:
10˙000˙000 anni per 1 M
1˙000 anni per 10 M
Anche dopo l’accensione della stella…
La produzione di energia è legata alla 4a potenza della
massa. Una stella 10 volte più massiva del Sole brucia
10˙000 più in fretta ed esaurisce il combustibile nucleare
in un tempo 1˙000 volte più breve!!!
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Quando l’idrogeno termina...
Il Sole consuma tutto l’idrogeno nel
volgere di 10 miliardi di anni circa
Il nucleo si contrae e si riscalda
L’idrogeno brucia in shell più
esterne
Gli strati esterni della stella si
gonfiano e si raffreddano
(subgigante; durata: 0,7 miliardi
di anni)
Più il nucleo si contrae, più si scalda e fa espandere
l’inviluppo, fino a 160 volte le dimensioni originarie
(prima fase di gigante rossa; durata: 0,6 miliardi di anni)
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Gigante rossa
Raggiunta la temperatura centrale di 100
milioni di gradi, comincia a bruciare l’elio,
trasformandosi in carbonio e ossigeno
(helium flash)
Il nucleo si espande, l’inviluppo si
restringe fino a 10 raggi solari (gigante
gialla)
Finito l’elio nel nucleo, parte il
bruciamento “differenziato” nei vari strati.
La parte esterna si espande nuovamente
(seconda fase di gigante rossa; durata: 20
milioni di anni)
Ad ogni accensione/spegnimento, la stella pulsa e
rilascia gli strati più esterni
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Nana bianca
La materia rilasciata, illuminata
dall’oggetto centrale, diviene un oggetto
esteso e brillante (nebulosa planetaria)
Al centro resta una nana bianca (1,5 raggi
terrestri, temperatura superficiale di
120000 gradi), composta di carbonio e
ossigeno
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
E le stelle di massa maggiore?
Se l’oggetto centrale residuo
ha più di 1,4 masse solari:
Si riscaldano ulteriormente e bruciano
anche carbonio e ossigeno.
Combustioni nucleari in shell,
struttura “a cipolla”
Ultimo stadio: silicio  ferro (3 miliardi
di gradi), poi la struttura “crolla”
Esplosione di supernova (ha lo
splendore di più di 10 miliardi di stelle)
Sintesi degli elementi più pesanti del
ferro
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Supernova
Arricchimento del mezzo interstellare
Al centro resta una stella di neutroni o un buco nero
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Nova
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
Novae vs supernovae
Nova
Supernova
Sistema binario
Stella massiva singola
Fenomeno ricorrente
Fenomeno unico
e definitivo
Energia liberata da una SN:
almeno un milione di volte più di una nova
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005
PROSSIMO APPUNTAMENTO:
19 MAGGIO 2005
ore 18:00, Aula Ferrari
Achille Nucita
GIGANTI OSCURI:
L'inevitabile attrazione della gravità
Davide Elia
Nascita di una stella
21 aprile 2005