Dalle stelle ai nani bianchi: la saga di una stella simile al sole

I nani bianchi sono oggetti curiosi. Sono piccoli e non molto massicci (da cui la parte "nana" dei loro nomi) e irradiano principalmente luce bianca. Gli astronomi si riferiscono anche a loro come "nani degeneri" perché in realtà sono i resti di nuclei stellari che contengono materia molto densa "degenerata".

Molte stelle si trasformano in nane bianche come parte della loro "vecchiaia". Molti di loro sono nati come stelle simili al nostro Sole. Sembra piuttosto strano che il nostro Sole si trasformerebbe in qualche modo in una mini-stella strana e in calo, ma succederà tra miliardi di anni. Gli astronomi hanno visto questi piccoli oggetti strani in tutta la galassia. Sanno persino che cosa accadrà a loro mentre si raffreddano: diventeranno nani neri.

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 per tutta la vita, attraversando fasi diverse e molto interessanti. Trascorrono gran parte della loro vita convertendo idrogeno in elio e producendo calore e luce. Gli astronomi tracciano queste stelle in un grafico chiamato sequenza principale, che mostra quale fase sono nella loro evoluzione.

Una volta che le stelle raggiungono una certa età, passano a nuove fasi dell'esistenza. Alla fine, muoiono in qualche modo e lasciano dietro di sé affascinanti prove su se stessi. Ci sono alcuni davvero esotico oggetti che si trasformano in stelle veramente enormi, come buchi neri e stelle di neutroni. Altri finiscono la loro vita come un diverso tipo di oggetto chiamato nano bianco.

Come fa una stella a diventare una nana bianca? Il suo percorso evolutivo dipende dalla sua massa. Una stella di massa elevata - una con otto o più volte la massa del Sole durante il periodo in cui si trova sulla sequenza principale - esploderà come una supernova e creare una stella di neutroni o un buco nero. Il nostro Sole non è una stella massiccia, quindi, e 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 del Sole supergiganti.

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

Per quanto tempo sopravvive una stella è direttamente proporzionale alla sua massa. Le stelle a bassa massa che diventano stelle nane bianche all'elio richiederebbero più tempo dell'era universo per arrivare al loro stato finale. Si raffreddano molto, molto lentamente. Pertanto nessuno ne ha mai visto uno completamente raffreddato, eppure queste stelle strane sono piuttosto rare. Questo non vuol dire che non esistono. Ci sono alcuni candidati, ma in genere compaiono in sistemi binari, suggerendo che un qualche tipo di perdita di massa è responsabile della loro creazione, o almeno per accelerare il processo.

Noi fare vedere molti altri nani bianchi 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 di sequenza principali comprese tra 0,5 e 8 masse solari. Come il nostro Sole, queste stelle trascorrono gran parte della loro vita fondendo idrogeno in elio nei loro nuclei.

Una volta esaurito il loro combustibile a idrogeno, i nuclei si comprimono e la stella si espande per diventare un gigante rosso. Riscalda il nucleo fino a quando l'elio non 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 alfa triplo": due nuclei di elio si fondono per formare il berillio, seguito dalla fusione di un ulteriore elio che crea carbonio.)

Una volta che tutto l'elio nel nucleo è stato fuso, il nucleo comprimerà di nuovo. Tuttavia, la temperatura interna non sarà sufficientemente calda per fondere carbonio o ossigeno. Invece, "si irrigidisce" e la stella entra in un secondo gigante rosso fase. Alla fine, gli strati esterni della stella vengono delicatamente spazzati via e formano un nebulosa planetaria. Ciò che rimane alle spalle è il nucleo di ossigeno-carbonio, il cuore del nano bianco. È molto probabile che il nostro Sole avvierà questo processo tra qualche miliardo di anni.

Quando un nano bianco smette di generare energia tramite fusione nucleare, tecnicamente non è più una stella. È un residuo stellare. Fa ancora caldo, ma non per l'attività al suo interno. Pensa alle ultime fasi della vita di un nano bianco più che altro come le braci morenti di un incendio. Nel tempo si raffredderà e alla fine diventerà così freddo che diventerà una fredda brace morta, quella che alcuni chiamano "nana nera". Nessun nano bianco conosciuto è arrivato così lontano. Questo perché ci vogliono miliardi e miliardi di anni perché avvenga il processo. Poiché l'universo ha solo circa 14 miliardi di anni, anche i primi nani bianchi non hanno avuto abbastanza tempo per rinfrescarsi completamente per diventare nani neri.

• Tutte le stelle invecchiano e alla fine si evolvono fuori dall'esistenza.
• Le stelle molto massicce esplodono come supernovae e lasciano 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.
• Nessun nano bianco si è completamente raffreddato nella storia dell'universo.

• NASA, NASA, imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/dwarfs1.html.
• "Stellar Evolution", www.aavso.org/stellar-evolution.
• “White Dwarf | COSMO." Centro per astrofisica e supercomputer, astronomy.swin.edu.au/cosmos/W/white nano.

A cura di Carolyn Collins Petersen.