Massiccio significa grande, meno massiccio significa piccolo, giusto? Non è così semplice quando si tratta di stelle e delle loro dimensioni. Se confrontiamo il pianeta Terra con il Sole, risulta che è possibile posizionare 109 dei nostri pianeti uno sopra l'altro, solo per spianare la strada da un'estremità all'altra della stella. Ma ci sono stelle più piccole della Terra e molto, molto più grandi dell'orbita terrestre attorno al Sole. Com'è possibile? Cosa determina la dimensione di una stella? Perché i "soli" sono così diversi?
La domanda non è facile, perché difficilmente vediamo le dimensioni di una stella.
Una visione telescopica profonda delle stelle nel cielo notturno mostra chiaramente stelle di varie dimensioni e luminosità, ma tutte le stelle sono mostrate come punti. La differenza di dimensioni è un'illusione ottica associata alla saturazione delle telecamere di osservazione
Anche in un telescopio, la maggior parte delle stelle sembrano semplici punti di luce a causa delle distanze enormi da noi. Le loro differenze di colore e luminosità sono facili da vedere, ma le dimensioni sono esattamente l'opposto. Un oggetto di una certa dimensione a una certa distanza avrà un cosiddetto diametro angolare: la dimensione apparente che un oggetto occupa nel cielo. La stella più vicina al Sole, Alpha Centauri A, è a soli 4,3 anni luce di distanza e il 22% più grande del Sole nel raggio.
Due stelle simili al sole, Alpha Centauri A e B, si trovano a soli 4,37 anni luce da noi e orbitano l'una sull'altra a una distanza tra Saturno e Nettuno. Anche in questa immagine di Hubble, appaiono come sorgenti puntiformi semplicemente sovrasaturate; nessun disco visibile
Tuttavia, ci sembra che il suo diametro angolare sia solo 0,007 ”, o secondi d'arco. Un minuto di arco è composto da 60 secondi di arco; 60 minuti di arco corrispondono a 1 grado e 360 gradi rappresentano un cerchio completo. Anche un telescopio come Hubble può vedere solo 0,05 ” ci sono pochissime stelle nell'Universo che un telescopio può effettivamente "vedere" con una risoluzione decente. In genere, si tratta di stelle giganti nelle vicinanze, come Betelgeuse o R Doradus, le stelle più grandi dell'intero cielo in termini di diametro angolare.
Un'immagine radiofonica della grandissima star Betelgeuse. Una delle poche stelle che vediamo come più di una sorgente puntiforme dalla Terra
Fortunatamente, ci sono misurazioni indirette che ci consentono di calcolare le dimensioni fisiche di una stella e sono incredibilmente fiduciose. Se hai un oggetto sferico che diventa così caldo da emettere radiazioni, la quantità totale di radiazione emessa da una stella è determinata da due parametri: la temperatura dell'oggetto e la sua dimensione fisica. La ragione di ciò è che l'unico posto che emette luce nell'Universo è la superficie di una stella, e l'area della superficie di una sfera viene sempre calcolata usando la stessa formula: 4πr2, dove r è il raggio della sfera. Se puoi misurare la distanza da questa stella, la sua temperatura e luminosità, conosci il suo raggio, e quindi le sue dimensioni, semplicemente perché queste sono le leggi della fisica.
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Inquadratura ravvicinata del gigante rosso UY Scuti, elaborata con il telescopio dell'Osservatorio Rutherford. Questa stella luminosa può essere solo un "punto" per la maggior parte dei telescopi, ma in realtà è la stella più grande conosciuta dall'umanità.
Quando facciamo osservazioni, vediamo che alcune stelle misurano solo poche decine di chilometri, mentre altre sono 1.500 volte più grandi del Sole. Tra le stelle supergiganti, la più grande è UY Scuti con un diametro di 2,4 miliardi di chilometri, che è più grande dell'orbita di Giove attorno al Sole. Naturalmente, questi incredibili esempi di stelle non possono essere giudicati dalla maggioranza. Il tipo più comune di stelle sono le stelle della sequenza principale come il nostro Sole: una stella che è composta da idrogeno e ottiene la sua energia dalla sintesi dell'idrogeno all'elio nel suo nucleo. E sono disponibili in molte dimensioni diverse, a seconda della massa della stella stessa.
Una giovane regione di formazione stellare nella nostra Via Lattea. Quando le nuvole di gas vengono compattate dalla gravità, le protostelle si riscaldano e diventano più dense, fino a quando la fusione inizia finalmente nei loro nuclei.
Quando si forma una stella, la contrazione gravitazionale converte l'energia potenziale (energia potenziale gravitazionale) in particelle cinetiche (calore / movimento) nel nucleo della stella. Se la massa è sufficiente, la temperatura diventerà sufficientemente alta da innescare la fusione nucleare nelle regioni più interne, dove i nuclei di idrogeno vengono convertiti in elio in una reazione a catena. In una stella di piccola massa, solo una minuscola frazione del centro stesso raggiungerà la soglia di 4.000.000 di gradi e la fusione inizierà e procederà lentamente. D'altra parte, le stelle più grandi possono essere centinaia di volte più massicce del Sole e raggiungere temperature interne di diverse decine di milioni di gradi, fondendo l'idrogeno in elio a una velocità milioni di volte più veloce di quella del nostro Sole.
Il moderno sistema di classificazione spettrale Morgan-Keenan, con l'intervallo di temperatura di ciascuna classe di stelle mostrato sopra in Kelvin. La stragrande maggioranza delle stelle (75%) sono stelle di classe M, di cui solo 1 su 800 è abbastanza massiccia da diventare supernova
Le stelle più piccole hanno il flusso esterno e la pressione di radiazione più piccoli, e quelle più massicce hanno il più grande. Questa radiazione ed energia esterne impediscono alla stella di collassare gravitazionale, ma potrebbe sorprendervi che la portata sia relativamente ristretta. Le stelle più piccole, nane rosse come Proxima Centauri e VB 10, rappresentano solo il 10% delle dimensioni del Sole, leggermente più grandi di Giove. Ma il gigante blu più grande, R136a1, è 250 volte la massa del Sole, ma solo 30 volte più grande di diametro. Se sintetizzi l'idrogeno in elio, le dimensioni della stella non cambieranno molto.
Ma non tutte le stelle sintetizzano l'idrogeno in elio. Le stelle più piccole non sintetizzano nulla e le più grandi sono in una fase molto più energetica della loro vita. Possiamo suddividere le stelle in tipi in base alla dimensione ed evidenziare cinque classi generali
Stelle di neutroni: resti di supernova contenenti una massa da uno a tre soli, ma compressi in un nucleo atomico gigante. Emettono ancora radiazioni, ma in piccole quantità a causa delle loro dimensioni. Una normale stella di neutroni ha una dimensione di 20-100 chilometri.
Stelle nane bianche: si formano quando una stella simile al sole brucia l'ultimo combustibile di elio nel suo nucleo e gli strati esterni si gonfiano mentre quelli interni si contraggono. Di solito una stella nana bianca ha da 0,5 a 1,4 volte la massa del Sole, ma in volume fisico è vicina alla Terra: circa 10.000 chilometri di diametro, costituita da atomi altamente compressi.
Stelle della sequenza principale: queste includono nane rosse, stelle simili al sole e le giganti blu che abbiamo menzionato prima. Le loro dimensioni sono molto diverse, da 100.000 chilometri a 30.000.000 chilometri. Ma anche la più grande di queste stelle, se messa al posto del Sole, non inghiottirà Mercurio.
Giganti rossi: mostra cosa succede quando il nucleo esaurisce l'idrogeno. A meno che tu non sia una nana rossa (nel qual caso diventerai semplicemente una nana bianca), la contrazione gravitazionale riscalderà il tuo nucleo abbastanza da iniziare a fondere l'elio in carbonio. La fusione dell'elio con il carbonio emette molta più energia della fusione dell'idrogeno con l'elio, quindi la stella si sta espandendo notevolmente. La fisica è che la forza in uscita (radiazione) sul bordo della stella deve bilanciare la forza in arrivo (gravità) affinché la stella sia stabile, e maggiore è la forza che tende verso l'esterno, più grande sarà la stella. Le giganti rosse hanno solitamente un diametro di 100-150.000.000 di chilometri. È abbastanza per ingoiare Mercurio, Venere e forse la Terra.
Stelle supergiganti: le stelle più massicce che finiscono per fondere l'elio e iniziano a fondere elementi ancora più pesanti nei loro nuclei: carbonio, ossigeno, silicio e zolfo. Queste stelle sono destinate a diventare supernove o buchi neri, ma prima si gonfieranno fino a miliardi di chilometri o più. Tra loro ci sono le stelle più grandi come Betelgeuse, e se mettessimo una stella del genere al posto del nostro Sole, inghiottirebbe tutti i nostri pianeti solidi, la cintura degli asteroidi e persino Giove.
Il sole è ancora relativamente piccolo rispetto ai giganti, ma crescerà fino alle dimensioni di Arcturus nella sua fase di gigante rosso
Per le stelle più piccole di tutte, come le stelle di neutroni e le nane bianche, la regola è che l'energia intrappolata può sfuggire solo attraverso una superficie minuscola che le mantiene luminose per lungo tempo. Ma per tutte le altre stelle, la dimensione è determinata da un semplice equilibrio: la forza della radiazione in uscita sulla superficie dovrebbe essere uguale all'attrazione gravitazionale verso l'interno. Grandi forze di radiazione significano che la stella si gonfia a grandi dimensioni, con le stelle più grandi che si gonfiano fino a miliardi di chilometri.
La Terra, se i calcoli sono corretti, non verrà inghiottita dal Sole nella fase di gigante rossa. Ma il pianeta stesso diventerà molto, molto caldo
Quando il sole invecchia, il suo nucleo si riscalda, si espande e diventa più caldo nel tempo. Tra uno o due miliardi di anni, sarà abbastanza caldo da far bollire gli oceani della Terra se non mettiamo il pianeta in un'orbita più sicura. Tra poche centinaia di milioni di anni, il Sole sarà grande e luminoso. Ma ammettiamolo: non importa quanto grande diventi il nostro Sole, non diventerà mai più massiccio delle stelle di neutroni e delle più grandi supergiganti, anche se è più grande.
ILYA KHEL
