Se le stelle utilizzano l’energia nucleare, perché non esplodono come delle enormi bombe?

Nell’Universo ci sono molti corpi celesti, addirittura particelle atomiche, che mostrano, persino senza rendersene conto, molta più responsabilità e amor proprio degli esseri umani.

Per quanto tu possa esplorare, viaggiare tra gli sterminati spazi, osservare e studiare attentamente tutti i costituenti della materia, dagli atomi ai gruppi di galassie, dalle stelle ai buchi neri, non troverai mai nulla che farebbe qualcosa per mettere a rischio la propria esistenza. Ma anche qui sulla Terra non troverai specie animale che userebbe le regole base dell’Universo per porre fine prematuramente alla propria vita. 

È una legge non scritta questa, ma molto potente: nell’Universo si cerca sempre di vivere nel modo più tranquillo e lungo possibile. A volte ci si riesce, altre no, ma nessuno si autodistruggerebbe volontariamente nel momento più stabile e florido della propria esistenza.

Nessuno, tranne l’essere umano, che sembra provare piacere nel cercare modi per mettere a repentaglio la propria presenza nel Cosmo.  

 Se nel corso della tua vita avrai bisogno di una guida, un modello da seguire, farai sicuramente molto prima ad alzare gli occhi al cielo, viaggiare per milioni di miliardi di chilometri sulle spalle di un raggio di luce, piuttosto che muoverti su questo minuscolo pianeta cercando di riporre le tue speranze su un essere umano.

Le stelle non hanno la minima intenzione di utilizzare la loro grande riserva di energia nucleare per farsi esplodere o per distruggere nemici inesistenti. Anche in questo caso, gli strabilianti e perfetti meccanismi della Natura non si smentiscono. Per capirlo dobbiamo iniziare dal principio, ma non ti preoccupare, non mi dilungherò troppo. 

Le reazioni principali di fusione negli interni stellari non avvengono tra due nuclei di idrogeno, ma tra un nucleo di idrogeno e uno di deuterio.

Il deuterio non è altri che un nucleo di idrogeno al quale è legato un neutrone. All’interno delle stelle, però, il deuterio non esiste in grandi quantità, perché non vi sono neutroni liberi con cui i protoni possono legarsi. Ti dirò di più: un neutrone libero ha una vita limitata ad appena 15 minuti, dopodiché si trasforma spontaneamente in altre particelle. Sono proprio queste due proprietà a regolare la velocità delle reazioni ed evitare alle stelle di esplodere. 

Il neutrone necessario per formare il deuterio deriva da una trasformazione molto rara, detta decadimento beta inverso.

In parole semplici, quando un protone, un elettrone, una particella chiamata antineutrino e un po’ di energia si incontrano, possono dare vita a un neutrone, che dovrà essere catturato da un altro protone entro 15 minuti per formare il deuterio necessario per la fusione. Perché questo piccolo intervallo di tempo? perché i neutroni liberi non vivono più di 15 minuti.

La reazione che porta alla nascita di un neutrone libero però, è estremamente rara e lenta. La probabilità che avvenga in un qualsiasi istante di tempo è pari a circa una su 10 milioni! È questa rarissima trasformazione che limita la produzione del deuterio e controlla quindi le reazioni di fusione, che procedono esattamente al ritmo necessario alla stella per mantenere integra la struttura. Se procedessero più lentamente collasserebbe sotto la sua stessa forza di gravità; se andassero più velocemente esploderebbe.
L'equilibrio che si raggiunge è stabile; se potessimo perturbare il sistema, questo ritornerebbe allo stato di equilibrio. Non si tratta quindi di un caso rarissimo, come una penna che si tiene in piedi sulla punta, ma di una situazione che somiglia di più a una biglia in una ciotola: per quanto possiamo spostarla questa tenderà sempre a tornare nel fondo, a meno che non ci mettiamo d'impegno nel far  uscire la biglia dalla ciotola.

In ogni caso, perché le stelle si comportano tutte in quesot modo? Perché esiste questo equilibrio che regola il numero di reazioni nucleari? Coincidenza o mano di una mente superiore? I credenti vedranno la mano di Dio; i non credenti solamente l’unica combinazione, tra le infinite provate dalla Natura, che ha potuto far sviluppare l’Universo e degli esseri senzienti che ora sono qui a porsi queste domande.

Pensiamo un attimo prima di scegliere una risposta: se l’Universo si fosse comportato diversamente, se le stelle non avessero brillato, tu ci saresti stato qui, ora, a osservarle? Probabilmente no. Ma chi ti dice che questa combinazione non sia stata provata? Potrebbe essere già accaduta, magari prima di questo Universo, ma se tu non c’eri non hai potuto vederla e nessuno te ne potrà mai parlare. 

Di certo, qualsiasi Universo che non funzionasse secondo questi perfetti meccanismi non ci avrebbe dato tempo necessario per nascere, quindi per ammirarlo. Noi esseri umani siamo l'ultimo gradino dell'evoluzione di un Cosmo che ha dovuto pazientare quasi 14 miliardi di anni prima di vederci nascere; siamo quindi la prova più concreta della stabilità e del perfetto incastro delle leggi fisiche che lo governano. Solo quando ogni tassello si è inserito nel posto giusto ci siamo potuti sviluppare noi, miliardi e miliardi di anni più tardi. 

Meglio tornare alle nostre stelle, prima di chiudere il post.

In effetti qualche stella nell’Universo esplode ogni tanto. Ma quando succede, con un evento chiamato supernova, il motivo è semplice: l’astro è giunto al capolinea della propria vita, in quel momento in cui niente può più evitare l’inevitabile e la fonte di energia al centro si è esaurita. La forza di gravità è molto, molto più paziente di un saggio eremita; prima o poi arriverà sempre il momento della sua vittoria.

Quanto carburante consuma il Sole?

Una stella come il Sole ogni secondo trasforma in elio ben 594 milioni di tonnellate di idrogeno. Di questa quantità immensa circa 4 milioni di tonnellate, 4000000000 kg (!), sono convertite in energia secondo la relazione di Einstein E = mc^2. Di fatto la nostra stella perde 4 tonnellate di materia ogni secondo per alimentare il suo motore. 

Questo sembra un consumo elevatissimo per le nostre abitudini. Una macchina, infatti, consuma circa un litro di carburante, quindi poco meno di un chilo, in una ventina di minuti. Il razzo che ha portato l’uomo sulla Luna negli anni 60 bruciava 15 tonnellate di carburante al secondo, e infatti rimaneva acceso solo per un paio di minuti. Ma arrivare a 4 milioni di tonnellate al secondo è impossibile: ci vorrebbero 250 mila razzi come quelli che hanno portato l’uomo sulla Luna accesi contemporaneamente! 

Con questi numeri, allora, si potrebbe pensare che la vita del Sole sia di breve durata: il serbatoio, fondendo quasi 600 milioni di tonnellate al secondo, finirebbe presto. Invece no, perché la quantità di carburante disponibile nel nucleo del Sole è migliaia di miliardi di volte superiore e consente alla nostra stella di continuare a brillare per almeno 10 miliardi di anni, senza perdere un'apprezzabile quantità di massa rispetto all'inizio. Poiché il Sole e la Terra hanno circa 4,6 miliardi di anni, ci troviamo a malapena a metà della sua vita. Il Sole, quindi, è per noi come un uomo di circa 40 anni, ancora nel pieno delle sue energie.

Domande e risposte: Perché il Sole è così brillante?

Il Sole, come tutte le stelle, brilla di una luce estremamente intensa. Come molti altri suoi colleghi, questa immensa energia sarà disponibile per diversi miliardi di anni.

Ma da dove proviene?

In Natura l’energia non si crea dal nulla, ma si può solo trasformare. La luce che possiamo osservare del Sole, deve quindi provenire da qualche processo che attinge ad una quantità enorme di energia.

Per molto tempo la fonte di energia delle stelle è stata uno dei più grandi misteri dell’astronomia, mettendo alla prova la pazienza e la mente di generazioni di scienziati.

Nel diciannovesimo secolo, alcuni astronomi ipotizzarono che l’energia derivava direttamente dal processo di contrazione gravitazionale. Quando un gas si comprime si scalda ed emette luce, quindi perché le stelle non potrebbero emettere la stessa energia mano a mano che si comprimono?

Calcoli alla mano, altri astronomi dimostrarono che questa fonte di energia avrebbe potuto essere sufficiente per non più di qualche milione di anni, una decina al massimo.

Com’è possibile, allora, che ci siano stelle molto, molto più vecchie?

La risposta, quindi, è sbagliata; c’è qualche altro meccanismo che fa brillare le stelle e le mantiene in vita contro la loro stessa forza di gravità che tenderebbe a farle implodere.

L’energia prodotta, e successivamente emessa sottoforma di radiazione elettromagnetica, si origina dal processo di fusione nucleare, che si sviluppa nella zona centrale del Sole (non oltre un raggio del 10% rispetto al totale), relativamente facile da comprendere.

L’idrogeno, che è l’elemento principale, al centro si trova in forma ionizzata, ovvero privo del suo unico elettrone. L’atomo di idrogeno privato dell’elettrone si riduce ad una singola particella: il protone, di carica positiva.

A causa della forza elettromagnetica, due particelle della stessa carica si respingono in modo maggiore quanto minore è la loro distanza, proprio come succede anche per due calamite quando vengono avvicinate secondo due poli dello stesso segno.

Al centro del Sole, tuttavia, la temperatura è così elevata che gli urti tra protoni sono estremamente energetici. Basti pensare che la forza con cui si avvicinano due particelle di questo tipo è simile a quella che eserciterebbe una montagna se si trovasse sulle nostre spalle. Questa enorme forza alla quale tutti i protoni del nucleo sono sottoposti riesce a farli avvicinare gli uni agli altri fino alla distanza critica di un milionesimo di miliardesimo di metro!

Questa distanza è estremamente importante per il funzionamento stesso dell’Universo.

Quando due protoni si trovano entro questo raggio, la repulsione elettromagnetica cessa di colpo e cede il posto ad un nuovo tipo di interazione, chiamato forza forte.

La forza forte è attrattiva e ben 100 volte più intensa della repulsione elettromagnetica.

Le particelle, che fino a quel momento cercavano di allontanarsi in tutti i modi respingendosi con una forza mostruosa, ad un certo punto si fondono unite da una potentissima colla.

In realtà le cose sono un po’ più complesse, al punto da richiedere qualche nozione di meccanica quantistica, ma noi ci accontentiamo di sapere che se la temperatura è molto alta, le particelle possiedono così tanta energia che possono vincere la repulsione elettromagnetica ed essere poi fuse dalla forza forte. Quando questo accade, si forma una nuova specie atomica (un nuovo elemento). 

Ma com’è possibile che questo processo produca energia?

Se con una bilancia immaginaria pesassimo questo nuovo elemento e lo confrontassimo con il peso delle particelle di cui è composto quando si trovano libere, noteremmo una differenza piccola, ma fondamentale. Dalla fusione di due nuclei di idrogeno si forma un nucleo di elio che possiede una massa inferiore dello 0,7% rispetto alla somma delle masse delle particelle di cui è composto.

La massa mancante si è trasformata in energia, secondo la famosissima relazione di Einstein: E=mc^2. È questa energia, liberata sottoforma di raggi gamma, quella che consente a tutte le stelle dell’Universo di brillare, quindi di esistere. 

Il ciclo di reazioni più importante che permette al Sole e alle altre stelle di splendere per molto tempo è chiamato catena protone-protone.

Nella catena protone-protone vi sono coinvolti 4 nuclei di idrogeno che portano alla formazione di un nucleo di elio 4, formato da 2 protoni e 2 neutroni.

L’energia prodotta in questo modo è spaventosamente alta; basti pensare che un grammo di atomi di idrogeno fondendosi produce la stessa quantità di energia che si ricava bruciando 11 tonnellate(!) di carbone.

Nel Sole ogni secondo viene prodotta un’energia spaventosa, pari a 0,38 miliardi di miliardi di miliardi di Watt!

In un anno l’energia generata è quindi miliardi di volte la produzione dell’intero genere umano in tutta la sua storia.