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La formazione delle stelle e dei pianeti

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L’idea che le stelle potessero in qualche modo avere un’origine andava a sfidare un dogma, quello relativo alle stelle fisse, immobili e immutabili. Il primo a teorizzare una teoria sulla nascita delle stelle fu Emanuel Swedenborg intorno al 1730. In seguito a perfezionare questo pensiero fu tra gli altri Immanuel Kant e, separatamente, Pierre Simon Laplace in quella che passò alla storia come teoria nebulare di Kant-Laplace. Secondo questa teoria, il Sole – e le altre stelle – hanno avuto origine dalla contrazione di una nebulosa.
La contrazione avrebbe poi innescato nel materiale un senso rotatorio intorno a un centro sempre più denso, creando una cosi una protostella che con il tempo sarebbe diventata una stella vera e propria.
Furono in seguito introdotte altre teorie, spesso fantasiose, come quella proposta da Julius Robert von Mayer che ipotizzò inoltre che il calore delle stelle proveniva da continui impatti meteorici sulla loro superficie. Se fosse stato così il Sole avrebbe aumentato costantemente la propria massa, ma così non è.
Nel 1853 Lord Kelvin e Hermann Von Helmoltz proposero il meccanismo della contrazione gravitazionale: il Sole contraendosi per gravità emette energia verso l’esterno. La contrazione di tutto il Sole si sarebbe esaurita però in soli 31 milioni d’anni, un tempo ancora troppo breve. L’enigma fu risolto da H. Bethe nel 1939 e parallelamente da G. Gamov. Nel nucleo, ove temperatura, pressione e densità sono elevate, avviene un processo di fusione nucleare, che produce l’energia richiesta.
Nel 1854 Hermann von Helmholtz propose una contrazione senza fine, teorizzando come una contrazione di soli cento metri l’anno nel diametro solare avrebbe portato a una energia in linea con quella misurata dalla nostra stella. In seguito si comprese che le stelle altro non sono se non enormi palle di gas, tuttavia si riuscì anche a classificarle in base al loro spettro e al colore con Angelo Secchi.
Norman Lockyer cercò di riunire tutti i pezzi più interessanti giungendo a una conclusione molto avanzata: una stella nasce a partire da una nube diffusa di gas che contraendosi si riscalda fino al raggiungimento della stabilità. La stella resta in questo stato fino all’esaurimento del combustibile (qualunque esso sia) fino a che la stella si contrae e si raffredda.
Nel 1916 Arthur Eddington portò gli studi ancora più avanti, affiancando alla convezione, fino ad allora teorizzata come unico metodo di trasferimento di calore, l’irraggiamento, già studiato da Karl Schwarzschild
Nel caso del Sole avviene una trasformazione di Idrogeno (H) in Elio (He), secondo una catena di reazioni che si definisce protone-protone. Fu ancora Arthur Eddington (1882-1944) a comprendere che sono le reazioni nel denso nucleo solare a produrre tutta questa energia. Le temperature presenti all’interno delle stelle, quindi, dovevano essere molto alte per costringere due atomi di idrogeno ad avvicinarsi al punto da fondersi. La struttura stellare era così messa a nudo così come il processo in grado di far brillare una stella di luce propria. La stessa via che venne battuta da Aston giungendo all’ipotesi della fusione dell’idrogeno in elio che avrebbe generato l’energia e mantenuto una stella come il Sole in equilibrio per miliardi di anni, consentendogli di brillare molto a lungo.
Non tragga in inganno questo racconto: la formazione stellare ancora oggi nasconde punti molto oscuri e molte domande ancora non hanno avuto una loro risposta definitiva.
Un nuovo metodo per verificare una spiegazione teorica condivisa ma non provata della formazione di stelle e pianeti è stato proposto dai ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). Il metodo nasce dalla simulazione dell’esperimento di instabilità magnetorotazionale (MRI) di Princeton, un dispositivo di laboratorio unico nel suo genere che vuole dimostrare il processo di risonanza magnetica che si ritiene abbia riempito l’universo di stelle e pianeti.

Polvere cosmica

Il dispositivo, progettato per replicare il processo che causa il collasso di nuvole di polvere cosmica e plasma in stelle e pianeti, è composto da due cilindri concentrici pieni di liquido che ruotano a velocità diverse. Il dispositivo cerca di replicare le instabilità che si pensa possano portare le nuvole vorticose a perdere gradualmente quello che viene chiamato “momento angolare” e collassare nei corpi in accrescimento. Tale quantità di moto mantiene saldamente la Terra e gli altri pianeti all’interno delle loro orbite.
Nelle nostre simulazioni possiamo effettivamente vedere la risonanza magnetica svilupparsi negli esperimenti“, ha detto Himawan Winarto, studente laureato del Princeton Program in Plasma Physics presso PPPL e autore principale di un articolo apparso su Physical Review, l’ interesse per l’argomento è iniziato come stagista in la University of Tokyo-Princeton University Partnership on Plasma Physics durante uno studente universitario alla Princeton University.
Il sistema misurerebbe la forza del campo magnetico radiale, o circolare, che il cilindro interno rotante genera negli esperimenti. Poiché la forza del campo è fortemente correlata alle instabilità turbolente previste, le misurazioni potrebbero contribuire a individuare la fonte della turbolenza.
“Il nostro obiettivo generale è mostrare al mondo che abbiamo visto in modo inequivocabile l’effetto della risonanza magnetica in laboratorio“, ha detto il fisico Erik Gilson, uno dei mentori di Himawan nel progetto e coautore dell’articolo. “Quello che Himawan propone è un nuovo modo di guardare le nostre misurazioni per arrivare all’essenza della risonanza magnetica“.

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Risultati sorprendenti

Le simulazioni hanno mostrato alcuni risultati sorprendenti. Mentre la risonanza magnetica è normalmente osservabile solo a una velocità di rotazione del cilindro sufficientemente alta, i nuovi risultati indicano che le instabilità possono essere probabilmente viste ben prima che venga raggiunto il limite superiore della velocità di rotazione sperimentale. “Ciò significa velocità molto più vicine alle velocità che stiamo eseguendo ora“, ha detto Winarto, “e proietta alla velocità di rotazione a cui dovremmo mirare per vedere la risonanza magnetica“.
Una sfida chiave per individuare la fonte della risonanza magnetica è l’esistenza di altri effetti che possono agire come la risonanza magnetica ma in realtà non sono lo stesso processo. Importanti tra questi effetti ingannevoli sono le cosiddette instabilità di Rayleigh che scompongono i fluidi in pacchetti più piccoli e la circolazione di Ekman che altera il profilo del flusso del fluido. Le nuove simulazioni indicano chiaramente “che la risonanza magnetica, piuttosto che la circolazione di Ekman o l’instabilità di Rayleigh, domina il comportamento dei fluidi nella regione in cui è prevista la risonanza magnetica“, ha detto Winarto.
I risultati gettano nuova luce sull’accrescimento di stelle e pianeti che popolano l’universo. “Le simulazioni sono molto utili per indirizzarti nella giusta direzione per aiutare a interpretare alcuni dei risultati diagnostici degli esperimenti“, ha detto Gilson. “Quello che vediamo da questi risultati è che i segnali per la risonanza magnetica sembrano che dovrebbero essere in grado di essere visti più facilmente negli esperimenti di quanto avessimo pensato in precedenza“.
https://phys.org/news/2020-10-exploring-source-stars-planets-laboratory.html
https://www.astronomiamo.it/DivulgazioneAstronomica/Area/Le%20stelle/Stelle-e-ciclo-di-vita-stellare
 
 

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