Cosa sono le supernove, esplosioni stellari

Fonte foto: Shutterstock

L’esplorazione sempre più avanzata dello spazio ci ha permesso di osservare una buona quantità di fenomeni che, qui sulla Terra, sarebbe impossibile replicare. Fenomeni ora spettacolari ora distruttivi, tra cui possiamo annoverare anche le supernove. La parola supernova fu utilizzata per la prima volta da Walter Baade e Fritz Zwicky nel 1931, e, di fatto, è l’esplosione più grande che l’uomo abbia mai visto.

Tra gli eventi più catastrofici dell’universo, coinvolge una stella molto massiva nei suoi ultimi istanti di vita, quando questa va ad esplodere, distruggendosi e liberando un’energia enorme. In quel momento, il corpo celeste diventa così luminoso da splendere addirittura più di una intera galassia. La luce che viene emessa dalla stella proprio in seguito all’esplosione innescatasi dura qualche mese ed è paragonabile a quella che il nostro Sole è in grado di emettere in un miliardo di anni.

Non solo, questa in qualche modo genera oggetti tra i più esotici, pure accompagnandosi a stelle di neutroni, pulsar e buchi neri. Il tutto naturalmente a temperature elevatissime, che possono raggiungere l’impressionante numero dei cento miliardi di Kelvin.

Cos’è una supernova e come si crea

Qualcuno direbbe che una supernova è l’ultimo evviva di una stella massiccia morente. Coinvolge le stelle di grande massa, superiore a 8 masse solari, in determinate condizioni 10, e rappresenta un’esplosione stellare più energetica di quella di una nova. Le supernove sono molto luminose e causano una emissione di radiazione che può, almeno per brevi periodi, superare quella di una intera galassia.

In un intervallo di tempo che di solito può variare da qualche settimana a qualche mese, l’esplosione di una supernova, oltre al suo grande “botto”, emette tanta energia quanta è previsto che ne emetta il Sole durante la sua intera esistenza. Per circa quindici secondi, poi, raggiunge una temperatura di cento miliardi di Kelvin, ma solo se la stella presenta una massa almeno nove volte superiore a quella del nostro Sole.

Capirete allora che ci troviamo di fronte ad una fine molto più tragica, e al tempo stesso in grado di offrire un vero e proprio spettacolo della natura, di quella che spetta agli astri minori. Basti pensare che questo tipo di esplosione stellare espelle la maggior parte o tutto il materiale che costituisce la stella, ad una velocità che può arrivare a 30.000 chilometri al secondo, praticamente il 10% della velocità della luce.

Mentre per le stelle di piccola massa le uniche reazioni nucleari possibili sono quelle di idrogeno ed elio, e solo di raro carbonio, le stelle di massa superiore riescono a raggiungere temperature sufficienti a innescare ulteriori fusioni nucleari durante i periodi di compressione legati all’esaurirsi di una delle forme di combustibile.

Altra differenza con le stelle più piccole consiste nella possibilità, per gli astri maggiori, di mescolare al meglio gli elementi interni consentendo all’idrogeno di scivolare di nuovo verso il nucleo. Tecnicismi a parte, questo processo produce comunque tonnellate di energia, ed il centro diventa molto caldo. Il calore è tale da generare una forte pressione che, in un lungo braccio di ferro con la gravità, vede crearsi svariate reazioni che avvengono contemporaneamente ai vari strati della struttura stellare.

Mentre l’elio viene progressivamente fuso in elementi sempre più pesanti, è una sequenza nota con il termine helium capture, il cuore continua a collassare con una temperatura che si innalza fino ai 600 milioni di gradi Kelvin: ciò è sufficiente ad innescare l’inevitabile reazione del carbonio in elementi più pesanti, come ossigeno, neon, sodio e magnesio.

La stessa fusione del carbonio, infine, fornisce una sorgente energetica tutta nuova, capace di ribilanciare la “lotta” tra gravità e pressione che caratterizza queste supergiganti estremamente luminose, di grande raggio e di densità molto scarsa. Terminate le fusioni nucleari in grado di fronteggiare la gravità, la stella implode e la massa è troppo grande per consentire al nucleo stellare di resistere.

Si genera una esplosione di supernova, che come dicevamo è tra gli eventi più violenti dell’universo interno. Per farla ancora più semplice, possiamo affermare che quando una stella massiccia si esaurisce, va a raffreddarsi, provocando la caduta della pressione. La gravità così vince e la stella crolla all’improvviso. Il crollo avviene così rapidamente che crea enormi onde d’urto che fanno esplodere la parte esterna della stella.

Tipi di supernova

Il termine supernova deriva dal termine “nova”, con il quale in passato venivano indicate stelle che apparivano nel cielo in punti in cui precedentemente non ve ne era traccia, il che lasciava supporre la nascita di una stella “nuova”. Considerata la spiccata luminosità di queste apparizioni, la parola venne enfatizzata con “supernova”, nonostante sappiamo che in realtà si tratta di una stella che sta effettivamente morendo. Ad oggi, stando alle osservazioni degli astronomi esistono due tipi di supernove, che differiscono per il meccanismo di esplosione e per il tipo di stelle da cui si origina l’esplosione stessa.

Le supernove di tipo I non hanno origine da stelle singole, ma dai cosiddetti sistemi binari, ovvero quelli composti da due stelle vicine che ruotano intorno ad un centro di gravità comune. I sistemi binari che possono innescare una supernova di tipo I sono generalmente quelli costituiti da una nana bianca di ossigeno e carbonio e da una stella definita sua compagna. La materia che compone la prima, a causa della pressione e della densità estremamente elevate, si trova in uno stato che gli scienziati chiamano “degenere“.

Uno stato, questo, che si presenta stabile solo se la massa della stella interessata è inferiore a un valore limite detto “massa di Chandrasekar”, pari a 1,4 volte la massa del Sole. Nel caso in cui la nana bianca si trovi in un sistema binario, il suo campo gravitazionale può essere tanto forte da spingere la vicina stella compagna a trasferirle la sua massa. Di conseguenza la nana inizia a crescere in modo esponenziale fino a superare il limite di Chandrasekar, e si contrae.

La contrazione fa innescare le reazioni nucleari che già conosciamo, e l’energia rilasciata è sufficiente per far esplodere completamente la stella, che si disintegra lasciando nello spazio nient’altro che polveri.

Le supernove di tipo II, invece, si originano da stelle particolarmente massive, di solito circa 10 volte la massa del nostro Sole. Queste vivono un tempo relativamente breve, non superiore ai 10 milioni di anni, e in tutto il loro corso vitale il combustibile nucleare al centro della stella tende a cambiare ciclicamente elemento.

Fino ad arrivare al ferro. Ad ogni “trasformazione”, il nucleo va a contrarsi per l’azione della gravità e riesce ad innalzare la temperatura tanto da innescare il bruciamento del nuovo elemento chimico. Tenendo conto che il ferro per sua stessa natura non può subire una ulteriore fusione per produrre energia, una volta arrivato il suo turno la contrazione del nucleo sarà inarrestabile e del tutto irreversibile.

In sole poche decine di secondi il diametro del nucleo si contrae da circa metà del raggio terrestre a poco più di 10 chilometri, e l’onda d’urto così prodotta si propaga in circa due ore attraverso gli strati esterni della stella. Quando riesce a raggiungere la superficie, la stella esplode. La totalità del materiale che compone la porzione esterna dell’astro viene proiettata nello spazio circostante con una velocità di circa 15.000 chilometri al secondo, mentre il residuo lasciato può essere, a seconda della massa, una stella di neutroni, detta anche pulsar, o un buco nero.

L’importanza di una esplosione stellare

Nonostante sia un fenomeno di tipo distruttivo, la supernova ricopre un ruolo chiave nell’evoluzione dell’universo, con effetti percepibili anche qui sulla Terra. Prima di tutto, questa fragorosa esplosione stellare si è rivelata il più efficiente e completo meccanismo di arricchimento chimico delle galassie. Non tutti infatti sanno che la maggior parte degli elementi che si trovano oggi nella Galassia, nella Terra e negli stessi esseri umani non sono apparsi con la nascita dell’Universo in seguito al Big Bang, ma sono stati sintetizzati all’interno delle stelle, compreso l’ossigeno che respiriamo!

In seguito all’esplosione delle supernove, il materiale stellare, che per l’appunto è ricchissimo di elementi chimici , viene restituito allo spazio e va ad arricchire le nubi di gas e polvere interstellare che successivamente daranno origine a nuove stelle, pianeti e galassie. Non solo, l’energia dell’esplosione permette agli elementi già presenti di trasformarsi, così da completare tutti gli elementi della tavola periodica che abbiamo imparato a conoscere.

In più, l’esplosione di una supernova favorisce la nascita di nuove stelle, per un circolo virtuoso che si traduce in potenziali nuove forme di vita. Questo perché l’onda d’urto generata dall’esplosione si propaga nelle nubi di gas e polvere interstellari e causa delle variazioni di densità. Le variazioni innescano la contrazione del gas e la successiva formazione di una nuova stella.

Anche il cosmo, quindi, ha il suo peculiare ciclo vitale: la morte di una stella crea le condizioni necessarie perché altre possano vivere. Non dovrebbe allora stupire che le supernove siano tanto studiate. Purtroppo non è possibile con i nostri mezzi sapere quando e dove esploderà una supernova, ma gli astrofisici possono andarle a scoprirle monitorando continuamente un gran numero di galassie. Bisogna avere a disposizione anche molta pazienza, considerando che il numero di esplosioni di supernove galattiche è di solo una ogni 30-50 anni in media.