la sua nebulosa circostante, è una delle migliaia di stelle della Via Lattea che potrebbe essere la prossima supernova della nostra galassia. È anche molto, molto più grande e più massiccio di quello che si potrebbe formare in un universo contenente solo idrogeno ed elio, e potrebbe già essere nella fase di combustione del carbonio della sua vita. Hubble Legacy Archive / A. Moffat / Judy Schmidt
Per quanto riguarda la potenza esplosiva, nessun altro cataclisma nell’Universo è tanto comune e distruttivo quanto una supernova da collasso del nucleo. In un breve evento della durata di pochi secondi, una reazione incontrollata fa sì che una stella emetta tanta energia quanta ne emette il nostro Sole nel corso della sua intera vita di 10-12 miliardi di anni. Mentre molte supernovae sono state osservate sia storicamente che dall’invenzione del telescopio, l’umanità non ne ha mai vista una da vicino.
Di recente, la vicina stella supergigante rossa, Betelgeuse, ha iniziato a mostrare interessanti segni di oscuramento, portando alcuni a sospettare che potrebbe essere sul punto di diventare una supernova. Mentre il nostro Sole non è abbastanza massiccio da subire lo stesso destino, è un divertente e macabro esperimento di pensiero immaginare cosa accadrebbe se lo facesse. Sì, moriremmo tutti in breve tempo, ma non a causa dell’onda d’urto o delle radiazioni. Invece, i neutrini ci prenderebbero prima. Ecco come.
supernova nella costellazione di Cassiopea. Questa esplosione, nonostante sia avvenuta nella Via Lattea e circa 60-70 anni dopo il 1604, non poteva essere vista ad occhio nudo a causa della polvere che interveniva. Il materiale circostante e la continua emissione di radiazioni EM giocano entrambi un ruolo nella continua illuminazione del residuo. Una supernova è il destino tipico di una stella superiore a circa 10 masse solari, anche se ci sono alcune eccezioni. NASA, ESA, e la collaborazione Hubble Heritage STScI/AURA)-ESA/Hubble. Ringraziamenti: Robert A. Fesen (Dartmouth College, USA) e James Long (ESA/Hubble)
Una supernova – in particolare, una supernova da collasso del nucleo – può avvenire solo quando una stella molto più massiccia del nostro Sole esaurisce il combustibile nucleare da bruciare nel suo nucleo. Tutte le stelle iniziano a fare quello che fa il nostro Sole: fondere l’elemento più comune nell’Universo, l’idrogeno, in elio attraverso una serie di reazioni a catena. Durante questa parte della vita di una stella, è la pressione delle radiazioni di queste reazioni di fusione nucleare che impedisce all’interno della stella di collassare a causa dell’enorme forza di gravità.
Cosa succede, allora, quando la stella brucia tutto l’idrogeno nel suo nucleo? La pressione della radiazione diminuisce e la gravità comincia a vincere in questa lotta titanica, facendo contrarre il nucleo. Mentre si contrae, si riscalda, e se la temperatura riesce a superare una certa soglia critica, la stella inizierà a fondere l’elemento successivo più leggero, l’elio, per produrre carbonio.
Questo accadrà nel nostro Sole tra circa 5-7 miliardi di anni nel futuro, facendolo gonfiare in una gigante rossa. La nostra stella madre si espanderà così tanto che Mercurio, Venere e forse anche la Terra saranno inghiottiti, ma immaginiamo invece di escogitare qualche piano intelligente per migrare il nostro pianeta su un’orbita sicura, mitigando l’aumento di luminosità per evitare che il nostro pianeta venga fritto. Questa combustione di elio durerà per centinaia di milioni di anni prima che il nostro Sole esaurisca l’elio e il nucleo si contragga e si riscaldi di nuovo.
Per il nostro Sole, questo è il capolinea, poiché non abbiamo abbastanza massa per passare alla fase successiva e iniziare la fusione del carbonio. In una stella molto più massiccia del nostro Sole, tuttavia, la combustione dell’idrogeno richiede solo milioni di anni per essere completata, e la fase di combustione dell’elio dura solo centinaia di migliaia di anni. Dopo di che, la contrazione del nucleo consentirà alla fusione del carbonio di procedere, e le cose si muoveranno molto rapidamente dopo di che.
Gli elementi prodotti dalla fusione nucleare all’interno della stella si concentrano verso il centro della stella. Quando la stella esplode, la stragrande maggioranza degli strati esterni assorbe rapidamente i neutroni, scalando la tavola periodica, e viene anche espulsa nell’Universo dove partecipa alla prossima generazione di formazione di stelle e pianeti. NASA / CXC / S. Lee
La fusione del carbonio può produrre elementi come ossigeno, neon e magnesio, ma impiega solo centinaia di anni per completarsi. Quando il carbonio scarseggia nel nucleo, si contrae nuovamente e si riscalda, portando alla fusione del neon (che dura circa un anno), seguita dalla fusione dell’ossigeno (che dura qualche mese), e poi dalla fusione del silicio (che dura meno di un giorno). In questa fase finale di fusione del silicio, le temperature del nucleo possono raggiungere ~3 miliardi di K, circa 200 volte le temperature più calde che si trovano attualmente al centro del Sole.
E poi avviene il momento critico: il nucleo finisce il silicio. Di nuovo, la pressione scende, ma questa volta non c’è nessun posto dove andare. Gli elementi prodotti dalla fusione del silicio – elementi come cobalto, nichel e ferro – sono più stabili degli elementi più pesanti in cui potrebbero fondersi. Invece, nulla è in grado di resistere al collasso gravitazionale, e il nucleo implode.
Stella massiccia nelle fasi finali, pre-supernova, della combustione del silicio. Un’immagine Chandra (a destra) del resto della supernova Cassiopeia A mostra oggi elementi come il ferro (in blu), lo zolfo (verde) e il magnesio (rosso). Non sappiamo se tutte le supernovae a collasso del nucleo seguono lo stesso percorso o no. NASA/CXC/M.Weiss; raggi X: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming
Ecco dove avviene la supernova di core-collapse. Si verifica una reazione di fusione fuori controllo, producendo quello che è fondamentalmente un gigantesco nucleo atomico fatto di neutroni nel nucleo della stella, mentre gli strati esterni hanno un’enorme quantità di energia iniettata in loro. La reazione di fusione stessa dura solo circa 10 secondi, liberando circa 1044 Joule di energia, o l’equivalente di massa (tramite la E = mc2 di Einstein) di circa 1027 kg: tanta quanta ne verrebbe liberata trasformando due Saturni in energia pura.
Quell’energia va in un mix di radiazioni (fotoni), l’energia cinetica del materiale nel materiale stellare che ora esplode, e neutrini. Tutti e tre sono più che capaci di porre fine a qualsiasi vita che sia riuscita a sopravvivere su un pianeta orbitante fino a quel punto, ma la grande questione di come moriremmo tutti se il Sole andasse in supernova dipende dalla risposta a una domanda: chi ci arriva per primo?
vita, culminando in una supernova di tipo II quando il nucleo esaurisce il carburante nucleare. Lo stadio finale della fusione è tipicamente la combustione del silicio, che produce ferro ed elementi simili al ferro nel nucleo solo per un breve periodo prima che si verifichi una supernova. Molti dei resti di supernova porteranno alla formazione di stelle di neutroni, che possono produrre la più grande abbondanza di elementi più pesanti di tutti collidendo e fondendosi. Nicole Rager Fuller/NSF
Quando si verifica la reazione di fusione in fuga, l’unico ritardo nella luce che esce deriva dal fatto che è prodotta nel nucleo di questa stella, e il nucleo è circondato dagli strati esterni della stella. Ci vuole un tempo finito perché il segnale si propaghi fino alla superficie più esterna della stella – la fotosfera – dove è poi libero di viaggiare in linea retta alla velocità della luce.
Appena esce, la radiazione brucia tutto ciò che incontra, facendo saltare immediatamente l’atmosfera (e qualsiasi oceano rimasto) dal lato rivolto verso la stella di un pianeta simile alla Terra, mentre il lato notturno durerebbe per secondi-minuti in più. L’onda d’urto della materia seguirebbe subito dopo, inghiottendo i resti del nostro mondo bruciato e possibilmente, a seconda delle specifiche dell’esplosione, distruggendo il pianeta interamente.
Ma ogni creatura vivente morirebbe sicuramente ancor prima che la luce o l’onda d’urto della supernova arrivino; non vedrebbero mai arrivare la loro fine. Invece, i neutrini – che interagiscono con la materia così raramente che un’intera stella, per loro, funziona come una lastra di vetro per la luce visibile – semplicemente sfrecciano via omnidirezionalmente, dal momento della loro creazione, a velocità indistinguibili dalla velocità della luce.
Inoltre, i neutrini portano via una frazione enorme dell’energia di una supernova: circa il 99%. In qualsiasi momento, con il nostro misero Sole che emette solo ~4 × 1026 joule di energia ogni secondo, circa 70 trilioni (7 × 1013) di neutrini passano attraverso la tua mano. La probabilità che interagiscano è minuscola, ma occasionalmente accadrà, depositando l’energia che porta nel tuo corpo quando accade. Solo pochi neutrini lo fanno effettivamente nel corso di una giornata tipica con il nostro attuale Sole, ma se andasse in supernova, la storia cambierebbe drasticamente.
Quando si verifica una supernova, il flusso di neutrini aumenta di circa un fattore 10 quadrilioni (1016), mentre l’energia per neutrino aumenta di circa un fattore 10, aumentando enormemente la probabilità che un neutrino interagisca con il tuo corpo. Quando si lavora attraverso la matematica, si scopre che anche con la loro straordinaria bassa probabilità di interazione, qualsiasi creatura vivente – da un organismo unicellulare a un essere umano complesso – verrebbe bollito dall’interno verso l’esterno solo dalle interazioni dei neutrini.
Questo è il risultato più spaventoso che si possa immaginare, perché non lo si vedrebbe mai arrivare. Nel 1987, abbiamo osservato una supernova da 168.000 anni luce di distanza sia con la luce che con i neutrini. I neutrini sono arrivati a tre diversi rivelatori in tutto il mondo, per circa 10 secondi dal primo all’ultimo. La luce della supernova, tuttavia, non ha iniziato ad arrivare fino a ore dopo. Nel momento in cui sono arrivate le prime firme visive, tutto sulla Terra sarebbe già stato vaporizzato da ore.
Forse la parte più spaventosa dei neutrini è che non c’è un buon modo per proteggersi da loro. Anche se provassi a bloccare il loro percorso verso di te con il piombo, o un pianeta, o anche una stella di neutroni, più del 50% dei neutrini riuscirebbe comunque a passare. Secondo alcune stime, non solo tutta la vita su un pianeta simile alla Terra verrebbe distrutta dai neutrini, ma qualsiasi vita in un sistema solare comparabile andrebbe incontro allo stesso destino, anche alla distanza di Plutone, prima che la prima luce della supernova arrivi. Sapremmo quando ognuna di queste transizioni è avvenuta, dando alla vita qualche ora per dare l’ultimo saluto durante la fase di combustione del silicio prima che si verificasse la supernova.
prodotta dalle stelle e da altri processi nell’Universo. Ogni serie di neutrini prodotti da un diverso processo di fusione all’interno di una stella avrà una diversa firma energetica spettrale, permettendo agli astronomi di determinare se la loro stella madre sta fondendo carbonio, ossigeno, neon e silicio al suo interno, oppure no. Collaborazione IceCube / NSF / Università del Wisconsin
È orribile pensare che un evento così affascinante e distruttivo come una supernova, nonostante tutti gli effetti spettacolari che produce, ucciderebbe qualsiasi cosa nelle vicinanze prima che arrivi un singolo segnale percepibile, ma questo è assolutamente il caso dei neutrini. Prodotto nel nucleo di una supernova e portando via il 99% della sua energia, tutta la vita su una Terra simile riceverebbe una dose letale di neutrini entro 1/20 di secondo come ogni altro luogo del pianeta. Nessuna quantità di schermatura, anche dall’essere sul lato opposto del pianeta rispetto alla supernova, aiuterebbe affatto.
Ogni volta che una stella va in supernova, i neutrini sono il primo segnale che può essere rilevato da loro, ma quando arrivano, è già troppo tardi. Anche se interagiscono raramente, sterilizzerebbero l’intero sistema solare prima che la luce o la materia dell’esplosione arrivino. Al momento dell’accensione di una supernova, il destino della morte è sigillato dall’assassino più furtivo di tutti: l’inafferrabile neutrino.
Seguimi su Twitter. Dai un’occhiata al mio sito web o ad altri miei lavori qui.
0 commenti