Si può osservare la superficie di una stella al telescopio?

La risposta è in linea teorica affermativa: il Sole è una stella e anche con un piccolo telescopio, sempre munito di apposito filtro solare, è possibile osservare molto in dettaglio la sua turbolenza “superficie” (le virgolette indicano un significato di superficie un po’ particolare, visto che non si può parlare di uno strato solido come quello dei pianeti). 

Se la domanda, come probabile, era riferita alle altre stelle, la risposta è quasi del tutto negativa: le stelle sono troppo distanti per poter essere osservate, in gergo risolte, come il nostro Sole. Sembra quindi quasi un paradosso, eppure è così: il cielo è pieno di stelle ma queste restano quasi sempre dei puntini indistinti con quasi tutti i telescopi, persino i più grandi del mondo.

Betelgeuse è una delle pochissime stelle "risolte"

Fino a qualche anno fa il Sole era l’unica stella della quale potevamo osservare direttamente la superficie, o meglio, lo strato gassoso che emette la radiazione elettromagnetica che raggiunge la Terra (infatti, a rigore, una stella non ha superficie essendo totalmente gassosa).

Tutte le altre stelle del cielo sono troppo lontane per essere osservate, se non come punti indistinti.s

Una delle prime lezioni di astronomia osservativa che apprendono gli appassionati del cielo sottolinea proprio il fatto che le stelle non possono essere ingrandite e che quindi restano dei punti con qualsiasi strumento.

In termini più tecnici e rigorosi, possiamo dire che il diametro apparente delle stelle è minore del potere risolutivo di ogni telescopio, per quanto grande quest’ultimo possa essere.

Il potere risolutivo di uno strumento ottico (compreso il nostro occhio) è la capacità di mostrare separati due oggetti vicini, o, in alternativa, di mostrare la forma reale, risolvere, un oggetto.

Il potere risolutivo si misura in sottomultipli del grado, i secondi d’arco. Un secondo d’arco equivale ad 1/3600°, ovvero alle dimensioni di una moneta da 2 euro vista alla distanza di circa 5 km.

Il nostro occhio ha un potere risolutivo, di giorno, di circa 60” (“ sta per secondi d’arco), ovvero 1’ (’ sta per minuto d’arco, uguale a 60”, o 1/60°). Secondo questa assunzione, quando due oggetti, a  prescindere dalla loro reale distanza, sottendono un angolo minore di questo valore, appariranno uniti e più non separati.

Il potere risolutivo aumenta con l’aumentare del diametro della lente o dello specchio attraverso il quale si osserva, ed ecco perché un telescopio mostra separati corpi celesti che ad occhio nudo non lo sono. Non c’entra nulla l’ingrandimento, che è solo la quantità che mostra fisicamente all’occhio il potere risolutivo di ogni strumento, il quale è intrinseco al diametro delle lenti o dello specchio primario.

Una formuletta empirica per calcolare il potere risolutivo di ogni strumento è la seguente: Pr= 115/D, dove D è il diametro del telescopio espresso in millimetri.

La formula, detta criterio di Dawes, ci dice in prima approssimazione qual è la distanza angolare minima che un telescopio è in grado di separare o risolvere.

Due oggetti più vicini di questa separazione angolare appariranno uniti. In alternativa, un oggetto le cui dimensioni sono inferiori a questo valore non mostrerà la sua forma reale, non sarà risolto.

Adesso siamo in grado di capire perché non possiamo osservare la superficie delle stelle: perché il loro diametro angolare è nettamente minore del potere risolutivo di molti strumenti astronomici.

Un telescopio amatoriale da 250 mm di diametro ha un potere risolutivo pari a 0,46”, una stella molto vicina ha un diametro angolare almeno 50 volte inferiore.

Se il Sole si trovasse alla distanza di Proxima Centauri, la stella più vicina, sottenderebbe un diametro apparente pari a 0,007”, 7 millesimi di secondo d’arco.

Questo angolo è equivalente a quello sotteso da una moneta di 2 euro osservata alla distanza di 7500 km!

Possiamo capire come sia estremamente difficile osservare la superficie di una stella, anche quelle a noi più vicine. Inoltre non abbiamo considerato la turbolenza atmosferica, che impedisce di raggiungere certi valori con ogni strumento posto sulla superficie della Terra.

Fortunatamente la tecnologia e la ricerca fanno continuamente passi in avanti.

Ora, con la tecnica chiamata interferometria si è riusciti ad avere l’immagine più nitida e dettagliata della superficie di una stella, Betelgeuse, una supergigante rossa nella costellazione di Orione, tra le stelle più grandi che si conoscano.

Il principio alla base dell’interferometria è il seguente: se costruiamo due telescopi che lavorano in perfetta sincronia, separati da una certa distanza, la risoluzione di questo apparato, combinando opportunamente la luce ricevuta da entrambi gli strumenti, non è quella data dal diametro dei telescopi (formula di Dawes), ma quella di un ipotetico telescopio di diametro pari alla distanza che separa gli strumenti.

Con questa tecnica è possibile raggiungere risoluzioni elevatissime ed evitare la costruzione di telescopi giganteschi, dato che quello che conta è la separazione tra i due strumenti, non il loro diametro.

Il problema dell'interferometria è che richiede precisioni proporzionali alla lunghezza d’onda alla quale si lavora; minore è la lunghezza d’onda, maggiore è la precisione richiesta.

I telescopi devono lavorare in perfetta sincronia e puntare esattamente nello stesso punto di cielo.

Non a caso l’interferometria si applica da decenni nel campo della radioastronomia, nella quale sono richieste precisioni del centimetro, e solo negli ultimi anni si è diretta verso l’infrarosso e il visibile, lunghezze d’onda per le quali sono richieste precisioni dell’ordine del milionesimo di metro.

Nonostante le enormi difficoltà tecniche, gli astronomi sono riusciti a fare dei passi da gigante, al punto che attualmente è possibile, in infrarosso e nel visibile, risolvere la forma di alcune grandi stelle, tra le quali proprio Betelgeuse.

L’osservazione diretta della superficie di altre stelle è fondamentale per affinare le nostre conoscenze su questi corpi celesti e capire anche il comportamento del nostro stesso Sole, l’unica stella della quale conosciamo bene i fenomeni superficiali.

Betelgeuse è una stella enorme, 1000 volte più estesa del Sole, una supergigante rossa giunta nelle fasi finali della propria vita. Attraverso le immagini interferometriche siamo in grado, per la prima volta, di indagare la superficie di questo tipo di stelle.

Le prime scoperte mostrano la presenza di grandi macchie stellari brillanti e scure, probabilmente delle enormi celle convettive di gas caldo che risale dalle profondità della stella e lentamente si raffredda, sprofondando di nuovo.

Le macchie stellari e il loro movimento ci danno informazioni dirette sulla dinamica della stella, sul suo campo magnetico, sui moti all’interno, insomma, una mole di dati che dovremmo analizzare ed interpretare per provare i modelli sul funzionamento e l’evoluzione delle stelle.

Domande e risposte: Cosa sono le supernovae?

Le supernovae sono probabilmente gli eventi più violenti ed energetici dell’Universo e per ora anche i più imprevedibili.

Quando una stella almeno 8 volte più massiccia del Sole brucia velocemente tutto il combustibile nel nucleo, la sua esistenza si accinge a terminare in modo spettacolare. 

Per gran parte della propria vita, come tutti gli astri, brucia idrogeno trasformandolo in elio. Quando l’idrogeno finisce la stella si espande, il nucleo si contrae e raggiunge una temperatura ancora più elevata, attorno ai 100 milioni di gradi, sufficiente a rimpiazzare l’idrogeno con l’elio.

La fusione dell’elio produce carbonio e ossigeno, ma genera meno energia, per cui la stella è costretta a bruciare molto più carburante

Ben presto termina anche l’elio. Il nucleo si contrae di nuovo e l’aumento di temperatura riesce a fondere anche carbonio e ossigeno, generando elementi ancora più pesanti, ma producendo sempre meno energia.

La stella cerca in tutti i modi di evitare un destino inevitabile, utilizzando come carburante tutti gli elementi che sono stati prodotti dalle reazioni nucleari precedenti.

Ma ad un certo punto le leggi della Natura dicono basta.

Arrivati al ferro i processi di fusione non producono più energia, anzi, la richiedono dall’esterno. La stella, quindi, non può fare nient’altro per evitare che il nucleo, composto quasi esclusivamente di questo metallo, collassi su se stesso senza il contrasto dell’energia liberata dalla fusione nucleare.

La contrazione è estremamente violenta e rapida, al punto che l’intera struttura rimbalza su se stessa scatenando una violentissima serie di reazioni nucleari che interessano anche gli strati esterni. 

L’astro esplode letteralmente con una potenza inaudita, generando la supernova.

La struttura stellare si disintegra.

I pezzi di stella vengono proiettati nello spazio a decine di migliaia di chilometri al secondo.

L’esplosione rilascia una quantità di energia pari a centinaia di miliardi di volte quella del Sole, risultando visibile anche a distanza di centinaia di milioni di anni luce.

Le supernovae sono eventi estremamente rari in una galassia. Nella Via Lattea gli scienziati stimano un’esplosione del genere ogni 50-100 anni.

Grazie all’elevato numero di galassie osservabili nel cielo, assistere a un’esplosione di una supernova extragalattica non è poi così raro. Ogni anno sono infatti diverse decine gli eventi di questo tipo che vengono scoperti, non di rado dai telescopi degli astronomi dilettanti. 

L’energia rilasciata da una supernova è così grande che è stato calcolato che se ne esplodesse una in un raggio di 100-150 anni luce le radiazioni gamma emesse potrebbero cancellare in un colpo gran parte della vita sulla Terra, compreesi noi esseri umani.

Fortunatamente non si conoscono stelle abbastanza massicce nelle vicinanze del Sole che potrebbero provocare un disastro di tale portata.

Nel passato della Terra, tuttavia, gli scienziati pensano di aver individuato almeno un evento di estinzione di massa legato all’esplosione di una supernova vicina. Circa 450 milioni di anni fa scomparve l’85% di tutte le specie viventi, probabilmente a causa dei raggi gamma provenienti da una supernova vicina.

La supernova del 1054 ha formato la Crab nebula

Negli antichi documenti storici sono diverse le supernovae galattiche osservate, anche in pieno giorno.

Famoso è il caso della stella che nel 1054 si rese visibile per alcune settimane, brillante quasi come la Luna piena vista ad occhio nudo. Quella supernova, a distanza di quasi 1000 anni, ha generato una delle nebulose più belle e brillanti: la nebulosa del granchio, nella costellazione del Toro.

Per assistere all’esplosione di una stella nella nostra galassia, che sia effettivamente visibile, bisogna avere un po’ di fortuna. 

Attualmente sono due le candidate ideali: Antares, la stella più brillante della costellazione dello Scorpione e Betelgeuse, astro rosso di Orione. Secondo gli astronomi, entrambe sono molto prossime alla fine spettacolare e violenta della loro vita, ma anche in questo caso, il termine “molto prossimo” identifica un momento casuale da qui a diverse centinaia di migliaia di anni. Meglio, quindi, non passare la propria vita sperando di assistere alla loro esplosione; tanto se dovesse succedere ce ne accorgeremmo perché diventerebbero decine di volte più brillanti di Venere e perfettamente visibili anche di giorno, almeno per uno o due mesi.

Poi, lentamente la luce si affievolirà e nel corso di qualche mese quell’angolo di cielo che per milioni di anni è stato abitato da un astro brillante, risulterà improvvisamente orfano per sempre di una delle gemme più belle.