Red Giant Stars: fatti, definizione e futuro del sole

Una gigante rossa è una stella morente nelle fasi finali dell'evoluzione stellare. In circa cinque miliardi di anni, il nostro sole si trasformerà in una gigante rossa, si espanderà e inghiottirà i pianeti interni, forse anche la Terra.

Cosa riserva il futuro alla luce del nostro sistema solare e di altri simili?

Fatti sulle stelle: le basi dei nomi delle stelle e dell'evoluzione stellare

Formare un gigante

La maggior parte delle stelle nell'universo sono stelle della sequenza principale, quelle che convertono l'idrogeno in elio nei loro nuclei attraverso la fusione nucleare.

Nel corso delle loro vite "normali", la pressione di fusione verso l'esterno all'interno delle stelle della sequenza principale bilancia la pressione di gravità verso l'interno. Una volta che la fusione del nucleo si interrompe, tuttavia, la gravità prende il sopravvento e inizia a comprimere la stella.

"Questo aumenta la temperatura interna della stella e accende un guscio di idrogeno che brucia attorno al nucleo inerte", ha scritto la Swinburne University of Technology in Australia in una spiegazione dell'evoluzione stellare (si apre in una nuova scheda).

"Nel frattempo, il nucleo di elio continua a contrarsi e ad aumentare di temperatura, il che porta a un aumento del tasso di generazione di energia nel guscio di idrogeno", continua la spiegazione. "Questo fa sì che la stella si espanda enormemente e aumenti di luminosità, la stella diventa una gigante rossa".

Le stelle giganti rosse hanno un diametro compreso tra 62 milioni e 620 milioni di miglia (da 100 milioni a 1 miliardo di chilometri) da 100 a 1.000 volte più larghe di quanto sia oggi il nostro sole. Poiché l'energia di queste stelle è distribuita su un'area così ampia, le loro temperature superficiali sono in realtà relativamente basse, raggiungendo solo da 4.000 a 5.800 gradi Fahrenheit (da 2.200 a 3.200 gradi Celsius), poco più della metà di quella del sole. Questo cambiamento di temperatura fa brillare le stelle nella parte più rossa dello spettro, portando al nome di "gigante rossa", anche se spesso hanno un aspetto più arancione.

Le temperature interne delle giganti rosse, tuttavia, continuano a salire mentre il nucleo si contrae ulteriormente, raggiungendo infine livelli in cui l'elio si fonde per formare carbonio. (Questo è noto come il "processo triplo alfa (si apre in una nuova scheda)" perché coinvolge tre isotopi di elio-4, o particelle alfa.) Se la stella è almeno 2,2 volte più massiccia del nostro sole, elio-carbonio l'accensione è un processo relativamente graduale. Ma per le stelle meno pesanti, si verifica con un lampo esplosivo.

Alla fine, l'elio nel nucleo si esaurisce e la fusione si interrompe. Il nucleo si restringe di nuovo e un guscio di elio appena oltre si accende, come è successo con l'idrogeno poco dopo che la stella ha bruciato le sue riserve di quel combustibile iniziale.

Questa accensione fa sì che gli strati esterni del gigante si espandano ulteriormente, ma il suo nucleo continua a collassare su se stesso. La stella alla fine diventa incredibilmente compatta, trasformandosi in un oggetto superdenso noto come nana bianca. Intorno al periodo di questa transizione, la stella espelle i suoi strati esterni in enormi nubi di gas e polvere note come nebulose planetarie. (Il nome fuorviante è stato dato dai primi astronomi, che pensavano che questi panorami del cielo assomigliassero a pianeti.) Questi gusci sono molto più grandi e più deboli delle loro stelle madri.

Dopo aver trascorso circa 1 miliardo di anni come gigante rossa, il nostro sole diventerà una nana bianca, impacchettando la maggior parte della sua massa iniziale in una sfera grande più o meno quanto la Terra. Questo destino attende anche molte altre stelle, tutte meno di circa otto volte più massicce del sole, in effetti.

Lo scenario di fine vita per le stelle giganti è diverso. Le stelle da circa 8 a 40 volte più massicce del sole, ad esempio, attraversano una fase di "supergigante rossa". I loro nuclei diventano abbastanza caldi da bruciare carbonio, cosa che il nostro sole non farà mai, e alla fine muoiono in potenti esplosioni di supernova. Alla fine, queste stelle massicce lasciano dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero.

E tutto questo accade abbastanza rapidamente, dal punto di vista cosmico, perché le stelle enormi bruciano il loro carburante molto velocemente. Ad esempio, mentre il nostro sole finirà per fondere l'idrogeno nel suo nucleo per circa 10 miliardi di anni, le stelle che diventano supergiganti rosse esauriranno le loro riserve in soli 10 milioni di anni circa. E marciano attraverso gli altri passaggi della tarda vita anche più velocemente di così.

Alcune delle stelle più luminose e conosciute nel cielo notturno sono supergiganti rosse. Betelgeuse, che forma la spalla della costellazione di Orione (The Hunter), è una supergigante rossa. Così è Antares, la stella più luminosa della costellazione dello Scorpione.

Studiare le giganti rosse

Negli ultimi anni, gli astronomi hanno dato un'occhiata ad alcune giganti rosse relativamente vicine, imparando di più su come operano questi colossi.

Nel 2017, ad esempio, un team internazionale di astronomi ha esaminato la superficie della gigante rossa 1 Gruis (si apre in una nuova scheda) utilizzando il Very Large Telescope dell'European Southern Observatory. Hanno scoperto che la stella, che si trova a circa 530 anni luce dalla Terra, ha solo poche cellule convettive, o granuli, ciascuno dei quali è largo circa 75 milioni di miglia (120 milioni di km). In confronto, il sole ha circa due milioni di cellule convettive e ciascuna ha una larghezza di circa 930 miglia (1.500 km).

Nello stesso anno, i ricercatori hanno utilizzato il radiotelescopio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Cile per studiare W Hydrae, una gigante rossa trovata a circa 320 anni luce dalla Terra. Hanno trovato un punto sorprendentemente luminoso e compatto nell'atmosfera del gigante.

"Le nostre misurazioni del punto luminoso suggeriscono che ci sono potenti onde d'urto nell'atmosfera delle stelle che raggiungono temperature più elevate di quanto previsto dagli attuali modelli teorici", Theo Khouri, astronomo della Chalmers University of Technology in Svezia e coautore di uno studio che riporta i risultati, si legge in un comunicato a suo tempo (si apre in una nuova scheda).

Anche le supergiganti rosse stanno diventando leggermente più nitide. Ad esempio, Betelgeuse ha iniziato ad attenuarsi notevolmente nell'autunno 2019 e aveva perso circa due terzi della sua luminosità apparente nel febbraio successivo. Alcuni astronomi pensavano che la stella gigante stesse entrando in agonia, le fasi finali prima che fosse distrutta dall'esplosione di una supernova.

Ad aprile 2020, tuttavia, Betelgeuse, che è 11 volte più massiccia del nostro sole e 900 volte più voluminosa, è tornata ai suoi livelli normali. Sembra che il "Grande Oscuramento" sia stato causato da una nuvola di polvere cosmica, che si è temporaneamente interposta tra la stella e i telescopi qui sulla Terra. Anche un certo raffreddamento intrinseco della stella potrebbe aver avuto un ruolo, hanno detto i ricercatori.

Il futuro del sole

Tra circa cinque miliardi di anni, il nostro sole passerà alla fase di gigante rossa. Quando si espande, i suoi strati esterni consumeranno Mercurio e Venere e raggiungeranno anche la Terra. Gli scienziati stanno ancora discutendo se il nostro pianeta sarà inghiottito o meno, o se orbiterà pericolosamente vicino al sole gigante rosso. Ad ogni modo, la vita come la conosciamo sulla Terra cesserà di esistere.

In effetti, la vita sulla superficie del nostro pianeta sarà probabilmente spazzata via molto prima che il sole si trasformi in una gigante rossa. La nostra stella si è riscaldata nel corso degli eoni, come fanno le stelle della sequenza principale della sua massa, e tra poche centinaia di milioni di anni sarà abbastanza calda da iniziare ad evaporare gli oceani. Quindi potrebbe non essere rimasto molto da distruggere per il nostro sole gonfio e gigante rosso.

"Il futuro della Terra è morire con il sole che ribolle negli oceani, ma la roccia calda sopravviverà", ha detto a Reuters l'astrofisico Don Kurtz, dell'Università del Lancashire (si apre in una nuova scheda).

Tuttavia, il nostro sole che cambia può fornire speranza ad altri pianeti. Quando una stella si trasforma in una gigante rossa, cambia la "zona abitabile" del suo sistema natale, l'intervallo di distanza orbitale in cui l'acqua liquida può esistere sulla superficie di un mondo. Poiché una stella rimane una gigante rossa per circa un miliardo di anni, potrebbe essere possibile che la vita sorga su pianeti e lune in orbita lontana, che alla fine riceveranno un po' di calore.

"Quando una stella invecchia e diventa più luminosa, la zona abitabile si sposta verso l'esterno e in pratica stai dando un secondo vento a un sistema planetario", ha detto in una dichiarazione lo scienziato di esopianeti Ramses M. Ramirez, ricercatore presso il Carl Sagan Institute della Cornell University. si apre in una nuova scheda) . "Attualmente gli oggetti in queste regioni esterne sono congelati nel nostro sistema solare, come le lune di Europa ed Encelado in orbita attorno a Giove e Saturno".

Tuttavia, la finestra di opportunità si aprirà solo brevemente. Quando il sole e le altre stelle più piccole si riducono a nane bianche, la luce vivificante si dissiperà. E le supernove di stelle più grandi potrebbero presentare altri problemi di abitabilità.

Risorse addizionali

Puoi trovare buone introduzioni alle basi dell'evoluzione stellare in questa pagina della Swinburne University of Technology (si apre in una nuova scheda) e dalla NASA qui (si apre in una nuova scheda). Per saperne di più sulle giganti rosse in particolare, dai un'occhiata a questa lezione (si apre in una nuova scheda) pubblicata dall'Università dell'Oregon. E il sito dell'esopianeta della NASA ha un bel riassunto (si apre in una nuova scheda) di ciò che accadrà nel nostro sistema solare quando il sole diventerà una gigante rossa.

Bibliografia

  • Jastrow, Robert. "Giganti rosse e nane bianche: l'evoluzione delle stelle, dei pianeti e della vita", Harper and Row, 1967. https://www.amazon.com/Red-giants-white-dwarfs-evolution/dp/B0006BO9H8 (si apre in nuova scheda)
  • Landau, Elisabetta. "Vita e morte di un sistema planetario." https://exoplanets.nasa.gov/life-and-death/intro/ (si apre in una nuova scheda)
  • NASA, "I cicli di vita delle stelle: come si formano le supernove". https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/lessons/xray_spectra/background-lifecycles.html (si apre in una nuova scheda)
  • Vlemmings, Wouter et al. "L'atmosfera riscaldata dallo shock di una stella ramificata asintotica risolta da ALMA", Nature Astronomy 1, 848853 (2017). https://www.nature.com/articles/s41550-017-0288-9 (si apre in una nuova scheda)

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