Qual è l’oggetto più denso dell’universo? Il più luminoso? Il più rumoroso? Nel suo nuovo libro Extreme Cosmos (Perigee, 2012), l’astronomo Bryan Gaensler rivela i detentori dei record cosmici di questi e molti altri titoli. In un estratto qui sotto, dal capitolo “Estremi di temperatura”, Gaensler spiega la fisica dietro alcune delle stelle più calde conosciute:
Sappiamo tutti che se si riscalda qualcosa, brilla. Un attizzatoio nel fuoco brilla di un arancione spento o rosso, mentre una lampadina convenzionale (a incandescenza) funziona riscaldando un filamento di tungsteno a diverse migliaia di gradi in modo che brilli di giallo o bianco. Questi sono casi speciali di un processo universale spiegato per la prima volta dal fisico tedesco Max Planck: Praticamente ogni oggetto (sia sulla Terra che nello spazio) irradia luce, e il colore di questa luce è legato alla temperatura dell’oggetto.
Possiamo vedere questo effetto, noto come “legge di Planck della radiazione del corpo nero”, in azione ogni volta che guardiamo i diversi colori delle stelle. Il nostro Sole è una stella ragionevolmente media. La sua temperatura superficiale di 9.900 gradi F si traduce in una luce giallastra, proprio come prevedono le equazioni di Planck.
Betelgeuse, una stella luminosa nella costellazione di Orione, è molto più fredda, circa 6.900 gradi F, e quindi anche a occhio nudo ha una tonalità rossa facilmente identificabile. La stella più luminosa del cielo notturno, Sirio (conosciuta anche come la “Stella del Cane”), ha una temperatura superficiale di circa 18.000 gradi F, che le dà la sua sfumatura bluastra.
Ma ci sono altre stelle, invisibili a occhio nudo, che sono molto più calde di Sirio. Come vedremo più avanti in questo capitolo, la vera azione avviene nelle profondità del nucleo di una stella, dove la furia della fusione nucleare genera tutto il calore e la luce di una stella per miliardi di anni. Ma quando una stella tipica esaurisce finalmente tutto il suo combustibile, espelle la maggior parte dei suoi strati esterni in un guscio di gas che si espande lentamente, esponendo il nucleo centrale. Questo nucleo, una piccola palla densa di elio, carbonio ed elementi più pesanti, non brucia più alcun gas tramite fusione nucleare, ma è ancora incredibilmente caldo. Questo tizzone morente, noto come “nana bianca”, è ora tra le stelle più calde dell’Universo, così caldo che illumina l’involucro circostante di gas espulso per formare una squisita nuvola luminosa nota come “nebulosa planetaria”. L’attuale detentore del record si trova nel cuore di una bellissima nebulosa planetaria. Questa nube di gas incandescente, indicata dagli astronomi come “NGC 6537” ma più comunemente conosciuta come “Red Spider Nebula”, si trova a circa 2.000 anni luce di distanza verso la costellazione del Sagittario. (Un anno luce è la distanza che si può percorrere in un anno se ci si muove alla velocità della luce, un totale di poco meno di 6 trilioni di miglia. Quindi 2.000 anni luce sono circa 12.000 trilioni di miglia!)
Per tutto il XX secolo, la nana bianca centrale della Nebulosa del Ragno Rosso è sfuggita al rilevamento e la sua temperatura è rimasta sconosciuta. Ci sono due ragioni per cui tali stelle sono così difficili da vedere. In primo luogo, si tratta di piccoli oggetti sepolti al centro di nubi circostanti, luminose e incandescenti. Spesso la luminosità e la complessità di una nebulosa planetaria nasconde la sua stella centrale alla vista.
Ma l’altra ragione è che, paradossalmente, il calore estremo della stella stessa rende la stella quasi invisibile. Come abbiamo visto sopra, la legge di Planck sulla radiazione del corpo nero stabilisce che la temperatura di un oggetto determina il suo colore. Sirio, con la sua superficie a una temperatura di 18.000 gradi F, è così calda che brilla di blu.
Cosa succede se una stella è ancora più calda del blu di Sirio? In questi casi la legge di Planck si applica ancora, ma il bagliore risultante sarà di un colore oltre la gamma a cui i nostri occhi o i telescopi ordinari sono sensibili. In particolare, oggetti molto più caldi di Sirio brilleranno nella luce ultravioletta o nei raggi X. Le diverse temperature, e la loro connessione al colore attraverso la legge della radiazione del corpo nero, rivelano che fenomeni apparentemente distinti come la luce ultravioletta e i raggi X sono in realtà solo parti dell’ampio spettro elettromagnetico. Lo spettro elettromagnetico descrive un’intera gamma di colori diversi, ben oltre la striscia di luce che possiamo vedere con i nostri occhi.
Così le nane bianche sono sepolte in profondità nelle loro nebulose planetarie, e sono così calde che non emettono molta luce visibile, ma irradiano principalmente nelle parti ultraviolette e a raggi X dello spettro. Non è quindi troppo sorprendente che la stella surriscaldata al centro della Red Spider Nebula sia rimasta invisibile per molti decenni. Questa situazione è finalmente finita nel 2005, quando Mikako Matsuura e colleghi hanno usato il potente telescopio spaziale Hubble, situato in orbita sopra l’atmosfera terrestre, per identificare un minuscolo puntino di luce corrispondente alla nana bianca al cuore del Ragno Rosso. In questo e nei successivi studi, gli astronomi sono stati in grado di misurare con precisione il colore della stella, e poi hanno usato la legge di Planck sulla radiazione del corpo nero per calcolare la sua temperatura.
I risultati sono sorprendenti – la temperatura superficiale della stella al centro della Nebulosa del Ragno Rosso è un’incredibile 540.000 gradi F, più di 50 volte più calda del Sole e 30 volte più calda della potente Sirio.
Questa incredibile stella, con la sua temperatura estrema e la spettacolare nebulosa incandescente che la circonda, è più che un semplice interesse accademico. Perché guardando il Ragno Rosso, vediamo il nostro destino futuro. Tra circa 5 miliardi di anni, anche il Sole esaurirà il suo carburante, e allo stesso modo si libererà dei suoi strati esterni. Tutto ciò che rimarrà della nostra stella e del suo sistema solare sarà una bellissima nebulosa planetaria, illuminata da una nana bianca intensamente calda al suo centro.
Ristampato da Extreme Cosmos di Bryan Gaensler su accordo con Perigee, un membro di Penguin Group (USA) Inc.