E=mc2 Ovvero Come “Funzionano” Le Stelle, Parte 2/2

Abbiamo visto come le stelle di piccola massa (1,2 masse solari) utilizzino la “catena protone-protone” come meccanismo prevalente per produrre energia, partendo da 4 atomi di idrogeno se ne ottiene 1 di elio. Le stelle con massa superiore alle 1,2 masse solari invece sono in grado di raggiungere temperature e pressioni che permettono al ciclo CNO di essere il processo di fusione nucleare principale con il quale questi astri risplendono nel cosmo. Questo processo chiamato anche “ciclo di Bethe” (fu proposto da Hans Bethe verso la fine degli anni ’30 del secolo scorso) utilizza 3 elementi (o meglio, isotopi degli stessi) come catalizzatori per la produzione di energia:

  • il carbonio (C)
  • l’azoto (N)
  • l’ossigeno (O)

Pur utilizzando 3 elementi diversi, anche nel ciclo CNO si parte da 4 nuclei di idrogeno per poi ottenere un nucleo di elio con emissione di neutrini, positroni e fotoni gamma.

Il ciclo ha inizio a ore 12 dell’immagine:

  • un atomo di carbonio12 si fonde con un nucleo di idrogeno creando cosi azoto13 ed emettendo un fotone gamma;
  • l’azoto13 è instabile ed emettendo un positrone più un neutrino decade subito in carbonio13;
  • il carbonio13 si fonde con un nucleo di idrogeno e genera azoto14 più un fotone gamma;
  • l’azoto14 che è un isotopo stabile si fonde con un nucleo di idrogeno dando come risultato un nucleo di ossigeno15 più un fotone gamma;
  • l’ossigeno15 è instabile ed emettendo un positrone ed un neutrino decade in azoto15;
  • l’azoto15 fondendosi con un nucleo di idrogeno genera un nucleo di elio più carbonio12.

Tutti i positroni emessi si annichiliscono subito con un elettrone ed ecco che il carbonio12 da cui si era partiti si è “rigenerato” alla fine del ciclo. I vari isotopi presenti fungono da catalizzatori e non si accumulano nella stella a differenza dell’elio che come abbiamo visto, una volta che inizierà la sua fusione,  porterà la stella al di sopra delle 1,2 masse solari fuori dalla sequenza principale. Le domande adesso sono due:

  • cos’è la sequenza principale?
  • ma nelle stelle molto più massicce, diciamo 15, 20 masse solari le reazioni sono le stesse?

La sequenza princpale è quel “periodo di vita” nel quale l’astro fonde l’idrogeno e questo dipende dalla sua massa: più massiva sarà e per meno tempo fonderà idrogeno, per intenderci stelle come il Sole ci rimangono per 10 miliardi di anni, altre che hanno 10 volte la sua massa solo 100 milioni. In base alla loro temperatura e alla loro massa le stelle sono inoltre disposte nel diagramma HR: l’appartenenza al ramo centrale ne determina anche l’appartenenza alla sequenza principale.

Cosi come la catena protone-protone anche il ciclo CNO ha vari rami che differiscono negli isotopi che si creano e che vengono utilizzati come catalizzatori: oltre a carbonio, azoto ed ossigeno entrano in gioco fluoro e neon, questi rami hanno luogo nelle stelle oltre le 15 masse solari e sono chiamati CNO-II, CNO-III e CNO-IV

A loro volta i rami II e III sono detti CNO caldi ed il ramo IV è detto CNO caldissimo per via delle temperature a cui avviene la fusione (essendo presente del neon sono necessari centinaia di milioni di gradi K). Ma ora vi faccio una domanda: La temperatura necessaria per il ramo IV sarebbe sufficiente a fondere l’elio, perchè questo non avviene durante la fase di sequenza principale? Semplice per via della densità: l’elio per essere fuso necessita di un’alta densità, in stelle cosi massicce  invece è inferiore a quella dell’acqua perché è la temperatura stessa a generare pressione sufficiente per tenere il tutto in equilibrio.

Ma se vi dicessi che anche nel Sole è presente il ciclo CNO vi arrabbiate? In realtà è presente ma non è continuo e produce solo l’1,1% di nuclei di elio quindi la massa è trascurabile. Quando invece la nostra stellona inizierà a fondere l’elio e diventerà una gigante rossa allora si che questo ciclo diventerà fondamentale nella produzione di energia e forse, nella distruzione del nostro pianeta ma tranquilli, abbiamo ancora circa 5 miliardi di anni prima di arrivarci, accendete pure mutui e prenotate le ferie per l’estate prossima.

Andrea Cuozzo

Associazione Astronomica Pavese

www.aapv.it

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