Da Star a White Dwarf: la saga di una stella simile al sole

Le nane bianche sono oggetti curiosi. Sono piccoli e non molto massicci (da qui la parte "nana" dei loro nomi) e irradiano principalmente luce bianca. Gli astronomi li chiamano anche "nani degenerati" perché sono in realtà i resti di nuclei stellari che contengono materia molto densa e "degenerata".

Molte stelle si trasformano in nane bianche come parte della loro "vecchiaia". La maggior parte di loro è iniziata come stelle simili al nostro Sole. Sembra piuttosto strano che il nostro Sole si trasformi in qualche modo in una strana mini-stella che si rimpicciolisce, ma accadrà tra miliardi di anni. Gli astronomi hanno visto questi strani piccoli oggetti in tutta la galassia. Sanno persino cosa accadrà loro mentre si raffreddano: diventeranno nane nere.

Un'impressione artistica di una stella nana bianca in orbita con la pulsar PSR J2222-0137. Potrebbe essere la nana bianca più fredda e tenue mai identificata. (Versione più grande disponibile su: https://public.nrao.edu/images/non-gallery/2014/c-blue/06-23/ColdRemnant.jpg).
B. Saxton (NRAO / AUI / NSF)

Le vite delle stelle

Per capire le nane bianche e come si formano, è importante conoscere i cicli di vita delle stelle. La storia generale è piuttosto semplice. Queste gigantesche sfere ribollenti di gas surriscaldati si formano in nuvole di gas e brillano per l'energia della fusione nucleare. Cambiano nel corso della loro vita, attraversando fasi diverse e molto interessanti. Trascorrono la maggior parte della loro vita convertendo l'idrogeno in elio e producendo calore e luce. Gli astronomi tracciano queste stelle in un grafico chiamato sequenza principale, che mostra in quale fase si trovano nella loro evoluzione.

Un giorno il Sole si evolverà in una nana bianca.
NASA / SDO

Una volta che le stelle raggiungono una certa età, passano a nuove fasi dell'esistenza. Alla fine, muoiono in qualche modo e lasciano affascinanti prove su se stessi. Ci sono alcuni oggetti davvero esotici che le stelle davvero massicce si evolvono per diventare, come i buchi neri e le stelle di neutroni. Altri finiscono la loro vita con un diverso tipo di oggetto chiamato nana bianca.

Creazione di una nana bianca

Come fa una stella a diventare una nana bianca? Il suo percorso evolutivo dipende dalla sua massa. Una stella di massa elevata, una con massa otto o più volte quella del Sole durante il periodo in cui si trova sulla sequenza principale, esploderà come una supernova e creerà una stella di neutroni o un buco nero. Il nostro Sole non è una stella massiccia, quindi, e le stelle molto simili ad esso, diventano nane bianche, e questo include il Sole, stelle di massa inferiore rispetto al Sole e altre che si trovano da qualche parte tra la massa del Sole e quella di i supergiganti.

Stelle enormi muoiono in esplosioni di supernova come questa. Gli avanzi di questa stella non formeranno una nana bianca, ma avranno invece creato una stella di neutroni rotante chiamata pulsar. Vista del telescopio spaziale Hubble del residuo di supernova della Nebulosa del Granchio.
NASA / ESA / STScI

Le stelle di piccola massa (quelle con circa la metà della massa del Sole) sono così leggere che le loro temperature interne non diventano mai abbastanza calde da fondere l'elio in carbonio e ossigeno (il passo successivo dopo la fusione dell'idrogeno). Una volta che il combustibile a idrogeno di una stella di piccola massa si esaurisce, il suo nucleo non può resistere al peso degli strati sopra di esso e tutto collassa verso l'interno. Ciò che resta della stella si comprimerà quindi in una nana bianca di elio, un oggetto composto principalmente da nuclei di elio-4

La durata della sopravvivenza di una stella è direttamente proporzionale alla sua massa. Le stelle di piccola massa che diventano stelle nane bianche di elio impiegherebbero più tempo dell'età dell'universo per arrivare al loro stato finale. Si raffreddano molto, molto lentamente. Quindi nessuno ne ha mai visto uno raffreddarsi completamente, eppure queste strane stelle sono piuttosto rare. Questo non vuol dire che non esistano. Ci sono alcuni candidati, ma in genere compaiono nei sistemi binari, suggerendo che un qualche tipo di perdita di massa è responsabile della loro creazione, o almeno dell'accelerazione del processo.

Il sole diventerà una nana bianca

Vediamo molte altre nane bianche là fuori che hanno iniziato la loro vita come stelle più simili al Sole. Queste nane bianche, note anche come nane degenerate, sono i punti finali delle stelle con masse della sequenza principale comprese tra 0.5 e 8 masse solari. Come il nostro Sole, queste stelle trascorrono la maggior parte della loro vita a fondere l'idrogeno in elio nei loro nuclei.

La nostra stella si gonfierà per diventare una gigante rossa in procinto di diventare una nana bianca circondata da una nebulosa planetaria.
B. Jacobs / Wikimedia Commons

Una volta che hanno esaurito il loro combustibile a idrogeno, i nuclei si comprimono e la stella si espande per diventare una gigante rossa. Riscalda il nucleo fino a quando l'elio si fonde per creare carbonio. Quando l'elio si esaurisce, il carbonio inizia a fondersi per creare elementi più pesanti. Il termine tecnico per questo processo è il "processo triplo alfa:" due nuclei di elio si fondono per formare berillio, seguito dalla fusione di un ulteriore elio che crea carbonio.)

Una volta che tutto l'elio nel nucleo è stato fuso, il nucleo si comprimerà di nuovo. Tuttavia, la temperatura interna non diventerà abbastanza calda da fondere carbonio o ossigeno. Invece, si "irrigidisce" e la stella entra in una seconda fase di gigante rossa. Alla fine, gli strati esterni della stella vengono delicatamente spazzati via e formano una nebulosa planetaria. Ciò che rimane è il nucleo di carbonio-ossigeno, il cuore della nana bianca. È molto probabile che il nostro Sole inizi questo processo tra pochi miliardi di anni.

C'è una nana bianca nel cuore della Nebulosa Anello. Questa è un'immagine del telescopio spaziale Hubble. La Nebulosa Anello è costituita da una nana bianca al centro di un guscio in espansione di gas espulsi dalla stella. È possibile che la nostra stella possa finire così.
NASA / ESA / STScI.

The Deaths of White Dwarfs: Making Black Dwarfs

Quando una nana bianca smette di generare energia tramite la fusione nucleare, tecnicamente non è più una stella. È un residuo stellare. Fa ancora caldo, ma non per l'attività nel suo nucleo. Pensa alle ultime fasi della vita di una nana bianca come più come le braci morenti di un fuoco. Col tempo si raffredderà e alla fine diventerà così freddo che diventerà un tizzone freddo e morto, quello che alcuni chiamano una "nana nera". Nessuna nana bianca conosciuta è ancora arrivata così lontano. Questo perché occorrono miliardi e miliardi di anni perché il processo avvenga. Poiché l'universo ha solo circa 14 miliardi di anni, anche le prime nane bianche non hanno avuto abbastanza tempo per raffreddarsi completamente per diventare nane nere.

Punti chiave

Tutte le stelle invecchiano e alla fine si evolvono fuori dall'esistenza.
Stelle molto massicce esplodono come supernove e si lasciano dietro stelle di neutroni e buchi neri.
Stelle come il Sole si evolveranno per diventare nane bianche.
Una nana bianca è il residuo di un nucleo stellare che ha perso tutti i suoi strati esterni.
Nessuna nana bianca si è raffreddata completamente nella storia dell'universo.

fonti

NASA, NASA ,magine.gsfc.nasa.gov/science/objects/dwarfs1.html.
"Stellar Evolution", www.aavso.org/stellar-evolution.
“White Dwarf | COSMO." Center for Astrophysics and Supercomputing, astronomy.swin.edu.au/cosmos/W/white dwarf.

A cura di Carolyn Collins Petersen.