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    LA CRISTALLIZZAZIONE DELLE NANE BIANCHE

    LA CRISTALLIZZAZIONE DELLE NANE BIANCHE

    Le nane bianche sono i resti inerti lasciati da stelle di massa intermedia (sino a circa 8 masse solari), dopo aver attraversato la fase di nebulosa planetaria, durante la quale sono stati soffiati via gli strati esterni nello stadio di gigante rossa. Quindi, le nane bianche sono i nuclei non più attivi di tali stelle che osserviamo in una particolare condizione di equilibrio, durante la quale si stanno raffreddando in modo estremamente lento.

    La fase di completo raffreddamento si ritiene debba infatti durare alcune decine di miliardi di anni ed è per tale ragione che non sono mai state identificate delle “nane nere”, vale a dire nuclei stellari completamente raffreddati che non emettano più alcuna radiazione visibile.

    Sappiamo da qualche tempo che queste stelle sono sostenute dalla pressione di degenerazione elettronica, e raggiungono la straordinaria densità di 10 milioni di grammi per centimetro cubo nei loro nuclei, costituiti da carbonio e ossigeno sovrastati da uno strato fluido di gas degenere, da cui proviene la fioca luce che riceviamo da esse.

    In realtà, le nane bianche sono molto luminose e caldissime, con il picco di emissione nella regione ultravioletta dello spettro, ma appaiono molto fioche soprattutto perché sono intrinsecamente piccole, con dimensioni tipiche paragonabili alla nostra Terra. Le nane bianche hanno tutte caratteristiche abbastanza omogenee e sono per questo considerate una sorta di ottimo orologio cosmico con cui è possibile stimare con elevata precisione l’età di una determinata associazione stellare, in base alle temperature atmosferiche esibite poiché il raffreddamento avviene in modo caratteristico e prevedibile.

    Fin qui i caratteri generali, ma com’è un nucleo di una nana bianca? Sono stati elaborati dei modelli che descrivono le caratteristiche che osserviamo, alcune ancora non del tutto chiare. La più intrigante di tali previsioni è la cristallizzazione del nucleo, che si verifica, come per il congelamento dell’acqua, nel momento di una particolare transizione di fase a una certa temperatura.

    Questa congettura è stata formulata mezzo secolo fa, ma sinora non erano state rivelate evidenze di tale processo in corso. Durante la fase di cristallizzazione, viene rilasciata un’ingente quantità di calore latente che, conseguentemente, può frenare il raffreddamento per non meno di un miliardo di anni. Conoscere nel dettaglio tale processo permette quindi di riconoscerlo e di tenerlo in conto negli studi di datazione dei gruppi stellari.

    La cristallizzazione è il processo in cui un materiale diventa solido con gli atomi che vanno a formare una struttura ordinata. Alle estreme pressioni nei nuclei delle nane bianche, gli atomi sono costretti a compattarsi tanto densamente da dover liberare gli elettroni, i quali vanno a formare un gas elettricamente conduttore governato dalla fisica quantistica. I nuclei caricati positivamente si presentano in un’esotica forma fluida, detto “plasma di Coulomb”. Quando la temperatura del nucleo scende a circa 10 milioni di gradi, il fluido inizia a solidificarsi, formando un nucleo metallico al suo centro con un mantello in carbonio.

    Per la prima volta, tale processo è stato trovato da astronomi dell'Università di Warwick, guidatati da Pier-Emmanuel Tremblay. Il loro studio si basa in gran parte su dati ottenuti dal satellite Gaia dell'ESA. Il gruppo ha selezionato nei dati di Gaia un campione di 15 mila candidate nane bianche poste in un raggio di 300 anni luce dalla Terra, costruendo grafici basati sulla luminosità e il colore del campione.

    È stato quindi possibile identificare un eccesso intorno a specifici valori, che non corrisponde ad alcuna particolare massa o età. Tale eccesso statistico, messo a confronto con i modelli evolutivi, concorda fortemente con la fase in cui gli ioni di carbonio e di ossigeno non degenerati rilasciano calore latente in grande quantità, rallentando il raffreddamento, quindi corrispondente alla fase di cristallizzazione da liquido a solido.

    Si ritiene che l'ossigeno cristallizzi prima e poi affondi nel nucleo, con un processo simile alla sedimentazione. Questo spingerà il carbonio verso l'alto e formerà un suo strato esterno. Durante tale separazione, si libera energia gravitazionale e quindi calore.

    Il processo di cristallizzazione coinvolge, presto o tardi, tutte le nane bianche e questo implica che miliardi di tali oggetti nella Via Lattea hanno già conosciuto tale evoluzione e si presentano essenzialmente come caldissime sfere di cristallo.

    Giuseppe Donatiello

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