Costellazione del Cigno e Vita delle Stelle di Michele Orsini

Costellazione del Cigno e Vita delle Stelle, di Michele Orsini

Nebulose nella costellazione del Cigno

In questo articolo parleremo di una costellazione in particolare, quella del Cigno, e di alcuni oggetti molto deboli e allo stesso tempo estesi in essa contenuti.
Tutte foto che presenteró sono state prese con una macchina fotografica appositamente modificata per registrare anche la luce del vicino infrarosso, a cui i nostri occhi e le macchine fotografiche comuni sono poco sensibili.

Cigno immagine dettagliata 4591x3356px

La prima foto mostra la costellazione del Cigno nel suo insieme ed è stata fatta con un grandangolo di circa 40mm di focale. Nella foto ho disegnato 4 riquadri che identificano i soggetti di cui parleremo in seguito.
La costellazione del Cigno era già presente nella prima foto pubblicata nel mio precedente articolo ma in questo caso si vedono alcune "macchie" rosse che nella foto precedente erano appena visibili: è stato possibile rivelarle grazie alla modifica della macchina fotografica di cui ho parlato sopra, questi oggetti del cielo hanno una forte emissione nell'infrarosso.
La costellazione del Cigno è formata principalmente da 5 stelle disposte a forma di croce, questo asterismo, ben riconoscibile ad occhio nudo nel cielo estivo, viene infatti chiamata "croce del nord": Deneb (sopra al riquadro 3), Sadr (nel riquadro 2) e Albireo (in alto al bordo della foto vicino alla diagonale) rappresentano il braccio lungo; Glenah (sulla sinistra del riquadro 4) e Rukh (simmetrica a Glenah rispetto a Sadr) quello corto.
Attraverso la costellazione del Cigno passa una lunga porzione della Via Lattea, la nostra galassia, visibile nella foto come una striscia luminosa che attraversa la foto in diagonale parallelamente al braccio lungo della croce. La Via Lattea ha la caratteristica di avere una struttura piatta a forma di disco che noi vediamo di taglio: lungo il suo piano si trova la maggior parte delle stelle e delle nubi di gas, chiamate "Nebulose"; quattro di esse sono identificate dai riquadri della immagine.
Le foto ingrandite delle 4 nebulose sono state fatte con due telescopi di focale 800mm (per prima foto) e 350mm (per tutte le altre): ogni immagine è la composizione di una foto ordinaria con una fatta usando un filtro speciale chiamato H Alpha. Il filtro blocca tutta la luce ad esclusione di una sottile finestra centrata attorno alla frequenza di 656nm, prossima alla regione infrarossa. A tale frequenza viene emessa la riga spettrale H Alpha che è la "firma" della presenza lungo la linea di vista di idrogeno ionizzato, ossia privato del suo unico elettrone, cosa che avviene quando il gas si ritrova a temperature superiori a qualche migliaio di gradi.
Tutti e 4 gli oggetti sono dello stesso tipo: grandi ammassi/nubi di gas, prevalentemente idrogeno, che, riscaldate in qualche modo, emettono luce nel visibile e nell'infrarosso. Gli astronomi le chiamano genericamente "Regioni HII" (la notazione astronomica attribuisce il numerale romano I all'atomo neutro, il II all'atomo ionizzato una volta e così via). Quello in cui differiscono sono l'origine e la sorgente che li scalda.

Nebulosa Crescent

Il primo oggetto si chiama Crescent Nebula, il suo nome è dovuto al fatto che ricorda la luna crescente, viene anche chiamata "Euro sign nebula". La sua forma ed evoluzione sono strettamente legati ad una stella, chiamata WR 136 e visibile al centro della nube. La sua storia ci permette di fare una breve digressione sulla vita delle stelle, su come prosegua dopo la loro nascita e su come termini.
Nel precedente articolo ci siamo lasciati dopo aver descritto i primi istanti di vita di una stella, che cosa succede poi? Detta brevemente, la stella continuerà a vivere in una fase di "maturità" per un certo periodo (che varia in funzione della sua massa) bruciando l'idrogeno al suo interno e producendo elio.
Quando si dice che una stella "brucia" idrogeno non ci riferisce alla ordinaria combustione di un materiale, una reazione chimica che coinvolge l'ossigeno, bensì ad una reazione nucleare: quattro atomi di idrogeno sono combinati insieme per produrre un atomo di elio. La somma delle masse dei quattro atomi di idrogeno è peró superiore a quella di un atomo di elio e la massa in eccesso viene convertita in energia secondo la famosa legge di Einstein E=mc^2 : è questa energia che fa brillare la stella.
Nella stella potranno, successivamente, avvenire altre combinazioni di atomi tra gli elementi ottenuti dalle reazioni precedenti: dall'elio si ottiene il carbonio, poi si passa all'azoto, il silicio, l'ossigeno e così via fino al ferro; la capacità di una stella di produrre elementi successivi all'elio dipende dalla sua massa: maggiore questa è, più avanti sarà possibile procedere con questo tipo di reazioni. Ció avviene di solito nelle stelle di grande massa, nelle stelle normali come il sole, infatti, ci si ferma al carbonio. Dopo il ferro peró la reazione non puó proseguire perché non c'è più massa in eccesso per produrre energia. Nel caso ve lo steste chiedendo, è da qui che vengono gli atomi che compongono tutto quello che ci circonda, incluso il nostro pianeta; l'universo era originariamente composto sostanzialmente da idrogeno, gli atomi più pesanti sono stati prodotti dalle stelle (ne mancano alcuni? abbiate pazienza, ci arriveremo)
Ad un certo punto quindi la produzione di energia della stella si ferma e non riesce più a contrastare l'enorme forza gravitazionale del gas stesso: le parti interne della stella collassano su se stesse, "cadono" sotto l'azione della gravità formando un nucleo estremamente denso e le parti esterne vengono espulse. Questa espulsione potrà essere più o meno traumatica, i casi meno violenti generano delle nubi come quella della Crescent Nebula: grandi quantità di gas arricchite degli elementi prodotti all'interno della stella vengono restituite allo spazio Bene, siamo arrivati al punto: l'origine della Crescent Nebula è proprio questa, la stella al suo centro ha espulso le sue regioni periferiche. Le nubi di gas con questa origine hanno inizialmente una forma sferica o quasi sferica centrata sulla stella responsabile della emissione e poi, con il tempo, vengono deformate oppure disperse nello spazio. Questo è il destino della Crescent, tra qualche decina di migliaia di anni non ve ne sarà più traccia.

Nebulosa Nord America

Il secondo soggetto si chiama nebulosa Nord America ed è una Regione HII come la grande nebulosa di Orione, di cui abbiamo parlato nel precedente articolo. Anche in questo caso al suo interno ci sono stelle che si stanno formando, con i grandi telescopi se ne contano circa una cinquantina. L'aspetto così bizzarro di questa nube e di tante altre non ne rispecchia la reale forma, ma è dovuto al fatto che alcune sue zone siano a noi nascoste da altre nubi di gas a temperatura più bassa che, essendo opache, ne bloccano la luce.

La regione di Sadr, Nebulosa Farfalla

Il terzo soggetto si chiama nebulosa Butterfly, è un caso meno interessante dei precedenti e allo stesso tempo molto comune: una nube di gas che per puro caso viene riscaldata da stelle nelle vicinanze fino ad emettere luce nel visibile e nell'infrarosso. Queste nubi non contengono stelle in formazione e non hanno una origine esotica come la Crescent nebula; non diretta, per lo meno, ma alcune di esse potrebbero essere i resti di precedenti generazioni di stelle ormai dispersi nello spazio e aggregatesi in un secondo tempo. Anche in questo caso l'aspetto bizzarro è dovuto a regioni di gas a bassa temperatura che bloccano la vista di parti di essa. Queste due ultime foto, anche se meno interessanti per le lezioni di astrofisica, sono un buon esempio della enorme varietà di Nebulose nel cielo, ce ne sono tantissime, con le forme più strane, colorazioni affascinanti e dai nomi bizzarri: Proboscide dell'elefante, Testa di Cavallo, Pellicano, Uomo che corre, Zampa del gatto, Aragosta ...
Spero in futuro di poter fare foto a questi soggetti ed essere così in grado di mostrarveli

Nebulosa Velo

Il quarto soggetto si chiama Nebulosa Velo o "Cygnus Loop", la parte orientata dall'alto al basso sulla destra della foto è conosciuta anche come Scopa della Strega. La Nebulosa Velo ci permette di parlare un altro po' della vita delle stelle, è infatti un resto di supernova: siamo di nuovo davanti ad una nube di gas riscaldato a simmetria quasi circolare, indizio di una avvenuta espulsione. Ma rispetto alla Nebulosa Crescent, questo oggetto è la testimonianza di un evento più drammatico, come se la nube fosse composta di brandelli di gas "straziati" da una potentissima deflagrazione cosmica. Che cosa è una supernova? il termine "nova" deriva dal fatto che nel passato, di tanto in tanto, si vedeva in cielo una stella "nuova" che dopo aver brillato per qualche settimana sembrava poi sparire, quello che un tempo non si sapeva è che si stava assistendo alla fine di una stella.

Poco sopra ho scritto che l'espulsione dei gas esterni puó essere "più o meno traumatica", ecco, le supernovae rappresentano i fenomeni di espulsione più estremi: l'espulsione avviene a velocità che sono una frazione di quella della luce, il gas si scalda fino a milioni di gradi e comincia ad emettere in una grande varietà di lunghezze d'onda (radio, infrarosso, microonde, visibile, UV, raggi X ... buona parte dello spettro elettromagnetico), raggiunge il mezzo interstellare e lo sconvolge perturbandolo e spingendolo lontano. Quello che i nostri antenati descrivevano come una nuova stella altro non era che la luce di questa enorme deflagrazione: siamo davanti ad uno dei fenomeni più violenti dell'universo, in cui una stella, o meglio la massa di gas da essa espulsa, per poche settimane brilla come miliardi (miliardi!) di stelle, arrivando ad essere più brillante dell'intera galassia che la ospita e quindi ad essere visibile da enormi distanze. Durante questo processo avviene parte della produzione degli atomi più pesanti del ferro, i calcoli mostrano che se ne generano troppi pochi rispetto a quelli osservati ma le quantità mancanti sono stati trovate ... ed è una scoperta recentissima, ci arriveremo. Quello che resta, dopo l'esplosione, è una nube di gas a temperatura altissima che, non avendo una sorgente che la riscalda, si raffredda e disperde lentamente nello spazio nel giro di qualche migliaio di anni. Si stima che la Nebulosa Velo abbia tra i 5 e gli 8000 anni, per questo è un oggetto molto tenue ed esteso, già sulla via della sua dispersione nello spazio.

La Vita delle Stelle

Prima di lasciarci vorrei riprendere un argomento su cui ho sorvolato: che cosa ne è del nucleo di una stella? Ho spesso fatto riferimento al fatto che una stella "muoia", ma non ho mai specificato che cosa intenda realmente, e purtroppo, per parlarne, serve un'altra digressione.

La materia così come noi la conosciamo è composta di atomi, comprendenti un nucleo - a sua volta composto di particelle positive (protoni) e neutre (neutroni) - e da una "nuvola" di particelle negative (elettroni). Ad ogni atomo è possibile associare un "raggio" inteso come la distanza sotto alla quale non è possibile avvicinare due atomi pena la loro "compenetrazione" (attenzione che ci stiamo addentrando nella meccanica quantistica e i termini che useró sono soltanto metafore per capire meglio).

Nei nuclei collassati delle stelle questa regola viene scardinata progressivamente dalla forza della gravità che la materia esercita su se stessa, questa degenerazione della materia ordinaria avviene più o meno drammaticamente in funzione della massa della stella. Per masse simili a quella solare, il nucleo di una stella che collassa diviene una miscela di nuclei atomici ed elettroni in cui la materia riesce a raggiungere una densità un milione di volte maggiore di quella dell'acqua (i materiali più densi conosciuti hanno una densità di circa 20-30 volte quella dell'acqua). Pensate all'intera massa del sole compressa in modo che il suo raggio passi dal milione e mezzo di Km attuali ad alcune migliaia: abbiamo una Nana Bianca, un oggetto molto debole che è destinato con il tempo a raffreddarsi, non essendoci più alcune fonte di energia. Le nane bianche più vicine alla terra sono osservabili persino con telescopi amatoriali.

Per stelle di massa maggiore il futuro dipende da quanta massa resta dopo aver espulso le parti più esterne.
Tra 1.5 e 4 masse solari la pressione spinge ancora più vicino gli atomi, fonde protoni ed elettroni in neutroni: la massa di un sole è compressa nello spazio di una decina di Km, la densità cresce di un ulteriore miliardo di volte e si viene a creare un oggetto con una temperatura elevatissima e che ruota molto velocemente su se stesso, destinato a raffreddarsi con il tempo: una Stella di Neutroni.

Le Stelle di Neutroni sono tra gli oggetti più esotici del cosmo (per i più esotici in assoluto: leggete sotto!), non sono osservabili se non con i più potenti telescopi professionali, ma la loro presenza in una zona dello spazio non passa inosservata: hanno di solito una vita iniziale molto intensa, emettono fortissimi segnali radio, X e gamma dovuti al materiale nei loro dintorni che viene catturato dal campo gravitazionale e quindi accelerato e concentrato in fasci di energia dal suo campo magnetico, sono quindi in grado di sconvolgere lo spazio attorno a loro e questi effetti sono ben conosciuti ed osservati dagli astronomi. Si pensa che le stelle di neutroni nella nostra galassia siano decine di milioni, ma la maggior parte di esse è ormai un relitto pressoché invisibile, avendo consumato tutto ció che ha trovato attorno a se.

Per masse maggiori neanche i neutroni si salvano, e il nucleo collassa in un buco nero ossia in una regione in cui non ha più senso parlare di spazio, di tempo e di densità. Siamo al limite delle conoscenze dalla fisica, non è ben chiaro cosa succeda all'interno di un buco nero, le grandi teorie fisiche che descrivono l'immensamente grande (la gravità) e l'immensamente piccolo (la meccanica quantistica) non riescono a trovare un punto in comune là dove, come in un buco nero, sono costrette a convivere. Quello che sappiamo è che i buchi neri non sono una fantasia, esistono (ce ne sono di enormi al centro delle galassie, ma hanno un'altra origine e ne parleremo in un altro momento) e, come le stelle di neutroni, possono essere rivelati dagli effetti devastanti che hanno sulla materia presente nelle loro vicinanze. Così come per le stelle di neutroni, possiamo pensare che là fuori nello spazio ci siano un sacco di buchi neri, probabilmente invisibili perché non segnalati dalla loro attività sulla materia circostante.

Non possiamo concludere l'articolo senza citare due avvenimenti scientifici rivoluzionari collegati proprio a questi oggetti celesti così esotici:

1. Il premio Nobel per la fisica del 2017 è stato assegnato al team che ha rivelato per la prima volta delle onde gravitazionali, teorizzate da Einstein e prodotte da una coppia di buchi neri che in una traiettoria a spirale si sono fusi insieme generandone un terzo.

2. A metà Ottobre 2017 è stato annunciato che a seguito di una nuova rivelazione di onde gravitazionali, centinaia di telescopi a tutte le frequenze hanno scandagliato il cielo e hanno scoperto che la causa di questa nuova perturbazione dello spazio tempo è stata la fusione di due stelle di neutroni, avvenuta in una galassia lontana (ma non remota). Per la prima volta è stato possibile studiare il fenomeno con osservazioni multifrequenza e si è scoperto che è stata generata una quantità notevole di elementi pesanti, proprio quelli che mancavano all'appello.

Michele Orsini 22/10/2017

postmaster@greenpepper.it

greenpepper - associazione no profit - Bologna