Collasso Gravitazionale A cura Dr. Fernando Marziali novembre 2009

Collasso Gravitazionale L’attrazione fatale della gravità

guardando le stelle…. Qualche volta, guardando le stelle, ci possiamo chiedere: come finiscono le stelle? Oppure, come è nata una stella? Per due quesiti così diversi, la risposta è unica:

Le stelle sono nate da un collasso gravitazionale Le stelle finiscono in un collasso gravitazionale

Le stelle sono nate da un collasso gravitazionale PRIMO CAPITOLO Le stelle sono nate da un collasso gravitazionale

Caduta libera 1

Caduta libera 1 commento Il primo passo per capire il COLLASSO GRAVITAZIONALE è ampliare un concetto che ci è già familiare: LA CADUTA LIBERA. La CADUTA LIBERA ha luogo tutte le volte che una massa si trova nello spazio libero, soggetta a gravità

Caduta libera 1

Caduta libera 1 commento La CADUTA LIBERA prosegue finchè la gravità non ha forze antagoniste capaci di contrastarla TOTALMENTE Quando un grave arriva a quota zero, trova una struttura di campi elettromagnetici che nella macrofisica si manifestano come “materia solida”, che contrasta e fa cessare la caduta libera

Caduta libera 2

Caduta libera 1 commento Un satellite in orbita è una situazione DI CADUTA LIBERA in cui la gravità - diretta verso il basso - è equilibrata dall’impulso* *massa del satellite X velocità del satellite

Caduta libera 2 Lo stesso vale per la luna e per l’intero sistema solare

Caduta libera 2 …nelle galassie…. ..ogni stella, ogni nebulosa, ogni ammasso, è in caduta libera verso il nucleo, mantenuto nella sua orbita dal suo impulso

Immaginiamo che questa nube

Nube Immaginiamo che questa nube sia l'unico oggetto dell'universo

Nube Immaginiamo che questa nube sia l'unico oggetto dell'universo Visto che ha un centro di gravità, si contrae perché tutte le sue parti cadono verso il centro? La domanda è logica, ma la caduta non può avere inizio se non sono realizzate precise condizioni tra massa, pressione e temperatura

Nube Immaginiamo che questa nube sia l'unico oggetto dell'universo in parole semplici, una nube piccola è stabile, una nube immensa può essere instabile e collassare

che cosa significa immensa si tratta di capire che cosa significa immensa

Nube cosmica

Nube cosmica

Nube cosmica

dobbiamo conoscere le altre forze dell’universo fisico ..ora che abbiamo capito che la materia cosmica tende a collassare* e che il collasso continua sino a che non insorgano forze contrastanti la gravità, dobbiamo conoscere le altre forze dell’universo fisico *collassare significa cadere verso il baricentro

La sorpresa sconcertante è che tra le quattro interazioni la Gravità è di gran lunga la più debole. Sembra dunque strano che non venga immediatamente contrastata e vinta da qualche altra interazione. Una prima risposta è immediata: basta vedere il raggio d’azione delle varie forze. Le interazioni nucleari (forte e debole) hanno un raggio estremamente breve

Raggio d'azione metri (10 alla..) Le Interazioni Raggio d'azione metri (10 alla..) Gravitazionale  Elettromagnetica Debole -18 Nucleare -15 La sola interazione contro cui la gravità può trovarsi a competere è l’interazione elettromagnetica

Raggio d'azione metri (10 alla..) Le Interazioni Intensità (10 alla..) Raggio d'azione metri (10 alla..) Gravitazionale 1  Elettromagnetica 36 Debole -18 Nucleare 38 -15 Per renderci conto della immensa disparità tra le forze, riflettiamo che la forza di repulsione elettrica tra due protoni in un nucleo è più forte della loro attrazione gravitazionale per un fattore 1.000.000.000. 000.000.000. 000.000.000. 000.000.000

TUTTAVIA… I grandi aggregati cosmici sono elettrostaticamente neutri

…QUINDI… La sola interazione rilevante su larga scala è la gravitazione una nube ricca di materia va naturalmente incontro al collasso gravitazionale Qualunque aggregato di gas e polveri ha un centro di massa e non può fare altro che “cadere” verso di esso perché la pressione interstellare non è sufficiente a contrastare il collasso.

…CIOE’… Qualunque aggregato di gas e polveri ha un centro di massa e non può fare altro che “cadere” verso di esso quando la pressione interstellare non è sufficiente a contrastare il collasso. Qualunque aggregato di gas e polveri ha un centro di massa e non può fare altro che “cadere” verso di esso perché la pressione interstellare non è sufficiente a contrastare il collasso.

Instabilità di Jeans L' instabilità di Jeans è un tipo di instabilità che è all'origine del collasso gravitazionale delle nubi interstellari di gas e della conseguente formazione stellare. Tale instabilità si instaura quando la pressione interna del gas non è in grado di contrastare il collasso gravitazionale

IN UNA NUBE OMOGENEA DI GRANDI DIMENSIONI LE FORZE GRAVITAZIONALI SI COMPENSANO LE NUBI DI IDROGENO ATOMICO E LE GMC SONO MOLTO ESTESE E DI BASSA DENSITA’. SONO STABILI LE STELLE NASCONO PER UNA INSTABILITA’ GRAVITAZIONALE DELLE NUBI DI IDROGENO TIPO H II Diapositiva tratta da da Dr. Elmar Pletschinger, La vita delle stelle

SOLO NELLE GALASSIE A SPIRALE… ….ALL’INTERNO DI REGIONI ESTESE DEL TIPO GMC NASCONO LE REGIONI H II PER EFFETTO DI ONDA D’URTO O PRESENZA DI CENTRI DI GRAVITA’

DIMENSIONI DELLE REGIONI H II: DA UN ANNO LUCE A CENTO ANNI LUCE DENSITA’: DA POCHI ATOMI PER cm3 A 1 MILIONE DI ATOMI PER cm3 MASSA TOTALE: DA 100 MS A 10 000 MS TEMPERATURA: 10000 GRADI K MS Massa del Sole Diapositiva tratta da da Dr. Elmar Pletschinger, La vita delle stelle

REGIONE H II DA UNA GMC (Giant Molecolar Cloud) NASCE UNA CIRCA IL 10% DELLA MASSA DELLA REGIONE H II SI TRAFORMA IN STELLE, IL RESTO VIENE SOFFIATO VIA Diapositiva tratta da da Dr. Elmar Pletschinger, La vita delle stelle

Fase protostellare (MOLTO semplificata..) L’aumento di pressione scalda il gas, e riesce a sostenere il peso degli strati esterni ..ma il gas caldo irradia verso l’esterno, riducendo la pressione ..e la nube può ulteriormente contrarsi L’energia persa per radiazione viene ricavata a spese dell’energia gravitazionale

Accretion

E finalmente, la stella La temperatura del nucleo cresce, quando raggiunge 10 milioni di gradi è sufficiente per accendere la fusione dell’Idrogeno in Elio 4 nuclei di Idrogeno fondono in un nucleo di Elio, rilasciando in energia 0,7 percento della massa iniziale

E finalmente, la stella

REGIONE DI FORMAZIONE STELLARE MOLTO GRANDE 1500 ANNI LUCE DI DIAMETRO NGC 604 REGIONE DI FORMAZIONE STELLARE MOLTO GRANDE 1500 ANNI LUCE DI DIAMETRO IN M 33 TRIANGULUM GALAXY STELLE FINO A 60 Masse Solari Diapositiva tratta da da Dr. Elmar Pletschinger, La vita delle stelle

Video GMC

DA ASTRONOMY AGOSTO 2007

FINE DEL PRIMO CAPITOLO

Le stelle finiscono in un collasso gravitazionale SECONDO CAPITOLO Le stelle finiscono in un collasso gravitazionale

Le stelle finiscono in un collasso gravitazionale Quando la gravità non è più contrastata dalla pressione delle reazioni di fusione nucleare il collasso riprende il sopravvento Ha luogo un processo di contrazioni e arresti successivi, che viene percorso per intero solo dalle stelle con massa superiore a 10-20 masse solari

Le tappe del collasso gravitazionale Stelle molto piccole Stelle di taglia solare Stelle massicce Stelle molto massicce

Le tappe del collasso gravitazionale Prima tappa: la Nana Bianca Gli strati esterni della stella precipitano sui sottostanti fino a quando lo stato del nucleo diventa “degenerato” E’ intervenuto un processo di arresto che prevale sulla gravità (degenerazione del gas di elettroni) Stelle candidate: tutte eccetto le molto piccole Secondo le leggi della Meccanica quantica, che governano il comportamento delle particelle elementari, gli elettroni, i protoni e i neutroni, essendo dotati di spin ½ (fermioni) sono soggetti al Principio di Esclusione: due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantico: quando sono così compressi che statisticamente le coppie tentano di occupare la stessa posizione, si sviluppa una fortissima “pressione di degenerazione”, che impedisce l’ulteriore collasso. Questo accade (degenerazione degli elettroni) quando la densità è circa 1 milione di volte quella dell’acqua (1 cm cubo= 1 tonnellata)

Prima tappa: la Nana Bianca degenerazione del gas di elettroni Responsabile: il Principio di Esclusione Risultato: un corpo cosmico con raggio di ~1000 km e massa fino a 1,4 volte la massa solare E’ impossibile resistere al fascino della Fisica Teorica: in questo caso ha previsto su base esclusivamente matematica(Chandrasekhar, 1930; Oppenheimer e Volkoff, 1939), l’esistenza di sistemi cosmici mai osservati, e dalle caratteristiche così incredibili da far dubitare della salute mentale dei suoi sostenitori! La scoperta è del 1968 (Jocelyn Bell) ed è altrettanto controversa che la previsione. Infatti Chandrasekhar è stato duramente contrastato da Eddington, che non ha mai riconosciuto il suo errore, e la Bell è stata addirittura derisa dal suo professore, il cui Nobel ora viene citato come uno vergognoso errore di assegnazione.

Seconda tappa: la stelle di neutroni Il limite di Chandrasekar: 1,4 masse solari Quando una Nana bianca supera questo limite, la gravità torna a prevalere! Tutti gli elettroni vengono catturati nei protoni, la pressione di degenerazione non è più in grado di controbilanciare la gravità, la nana bianca crolla su se stessa…. …ma anche i neutroni sono sottoposti al principio di esclusione Il collasso prosegue fino a quando la densità raggiunge il valore inimmaginabile di un milione di miliardi di volte la densità dell’acqua interviene la degenerazione dei neutroni che arresta il collasso a un astro del raggio di 10 km e della massa di 8-20 volte la massa solare, costituito praticamente solo di neutroni

Seconda tappa: la stella di neutroni anche i neutroni sono sottoposti al principio di esclusione

Seconda tappa: la stella di neutroni degenerazione del gas di neutroni Responsabile: il Principio di Esclusione Risultato: un corpo cosmico con raggio di 10 km e massa da 1,4 a 20 volte la massa solare E’ impossibile resistere al fascino della Fisica Teorica: in questo caso ha previsto su base esclusivamente matematica(Chandrasekhar, 1930; Oppenheimer e Volkoff, 1939), l’esistenza di sistemi cosmici mai osservati, e dalle caratteristiche così incredibili da far dubitare della salute mentale dei suoi sostenitori! La scoperta è del 1968 (Jocelyn Bell) ed è altrettanto controversa che la previsione. Infatti Chandrasekhar è stato duramente contrastato da Eddington, che non ha mai riconosciuto il suo errore, e la Bell è stata addirittura derisa dal suo professore, il cui Nobel ora viene citato come uno vergognoso errore di assegnazione. MS =3,28E+05 MTerra

Tra la prima e la seconda tappa: la Supernova

Terza tappa: non c’è mai fine? Se la massa è maggiore di 3 masse solari l’astro riprende a collassare anche la pressione del gas degenere di neutroni è insufficiente a contrastare il collasso La stessa MASSA occupa un VOLUME sempre minore

Terza tappa: non c’è mai fine? Massa diviso Raggio

La velocità di fuga* *aumenta con M/R Dalla terra 0,001 c Dal sole 0,0576 c Da una stella di neutroni 0,65 c Il proseguimento del collasso tende ad una situazione in cui la velocità di fuga si avvicina alla velocità c L’indizio di dove andiamo a finire ce lo dà la velocità di fuga, che si calcola facilmente conoscendo la massa e il raggio di un astro *aumenta con M/R

Terza e ultima tappa Buco nero Un astro con velocità di fuga tendente alla velocità c si chiama Buco nero

Epilogo stelle

L'attrazione fatale della Gravità

un Collasso Gravitazionale su scala umana

FINE

v=v1+at x=1/2at2 V2=v12+2ax