Un ditale che pesa come una montagna

Uno dei settori più affascinanti dell’astronomia è quello che si occupa del destino delle stelle, una volta che esse hanno terminato il combustibile nucleare. Ineluttabile è il sopravvento della gravità, ma diverso è il finale della storia a seconda della dimensione dell’astro. In ogni caso ciò che rimane è una palla di materia supercompressa, la cui densità può andare da una tonnellata per centimetro cubo fino a giungere a valori… infiniti! Proprio la questione della densità ho cercato di approfondire in questo pezzo.

GRAVITA’ E DENSITÀ Partiamo da un concetto semplice, per quanto non proprio intuitivo: qualunque massa, anche la più piccola, implica la presenza di gravità. Perfino un granello di sabbia genera attorno a sé un campo gravitazionale, ma i nostri sensi ci permettono di intuirne gli effetti solamente per corpi di grandi dimensioni.
Dalla superficie terrestre possiamo staccarci con un salto (contrastando la morsa gravitazionale) solo per un attimo, per poi ripiombare pesantemente verso il basso. Per raggiungere la “velocità di fuga” e poter quindi abbandonare il nostro pianeta dovremmo allontanarci dal suolo con una velocità di 40.000 km/h (11 km/sec). Se ci trovassimo sul Sole, tale velocità dovrebbe ammontare ad almeno 2.000.000 km orari (624 km/s).
In base a questi semplici dati possiamo inoltrarci in una serie di speculazioni, cosa che fece già nel Settecento l’inglese Michell, intuendo che una massa ancora più grande avrebbe creato un campo gravitazionale talmente intenso da impedire di sfuggire alla stessa luce, che notoriamente viaggia nel vuoto a quasi 300.000 km /s.
Alle medesime conclusioni giunse pochi anni dopo anche il francese Laplace, aggiungendoci un dettaglio che ci permette di entrare nel nocciolo della questione. Laplace tirò in ballo infatti anche la densità del materiale, concludendo che nello spazio potrebbero esistere stelle con densità maggiore rispetto a quella del nostro Sole, alle quali non servirebbe dunque essere particolarmente massive (grandi) per non lasciar sfuggire nemmeno la luce dalla morsa gravitazionale.
Le ricerche continuarono a gran ritmo, con personaggi che illuminarono il progresso scientifico con grandiose intuizioni e studi certosini; ma ciò che volevo introdurre era proprio il concetto di densità, che si esprime dividendo la massa (misurabile in kg) per il volume (d=m/V).
UNO STRANO, DENSISSIMO MATERIALE
La temperatura al centro del Sole è di 15-16 milioni di gradi, la pressione intorno a 500 miliardi di atmosfere e la densità del materiale nel nucleo è di circa 150 g/centimetri cubi, più di 13 volte più del piombo. Pur trovandoci a valori ancora relativamente “normali”, nel nucleo di una stella come il Sole esiste una sorta di fluido bollente chiamato plasma, nel quale i fortissimi urti tra gli atomi causati dagli enormi valori di temperatura e pressione staccano gli elettroni dall’orbita e fanno in modo che gli atomi, liberi dalla loro nube elettronica, siano in grado di muoversi e scontrarsi l’uno contro l’altro come biglie di plastica; in sostanza un materiale solido si comporta come un gas! Sembra un controsenso, eppure esiste qualcosa di talmente denso da sembrare… aria!
La situazione rimane in equilibrio per un tempo più o meno lungo (da alcuni miliardi ad alcuni milioni di anni): da una parte la gravità, che vorrebbe “concentrare” l’astro al proprio centro, dall’altra le reazioni termonucleari, che tenderebbero invece a far esplodere la stella. Ma questo gioco all’elastico non può durare per sempre; una volta esauritosi il carburante nucleare, resta in gioco la gravità, la forza più debole tra le quattro fondamentali dell’universo, ma la più subdola.
NANE DEGENERI
A questo punto si gioca il destino della stella; se la repulsione elettromagnetica che si esercita tra i nuclei atomici e quella tra gli elettroni riesce in qualche modo a tenere a bada la gravità, essa diverrà una nana bianca, una stella dalle dimensioni simili a quella della Terra, la cui densità va da 100.000 a 1 milione di volte quella del piombo (un centimetro cubo potrà quindi pesare fino a 10 tonnellate), con temperature di circa 100.000 Kelvin ed una elevatissima gravità superficiale.
PALLE DI NEUTRONI
Se la massa di partenza è superiore a 8 volte quella solare, una volta esaurita la pressione prodotta dal carburante nucleare anche la repulsione tra i nuclei atomici non potrà contrastare la gravità. Essa stritolerà tutto, portando a contatto protoni ed elettroni e riducendo il corpo celeste ad un agglomerato di neutroni di pochi chilometri di raggio. La densità è di circa un milione di miliardi di volte quella dell’acqua; in queste condizioni, un centimetro cubo di materia pesa mediamente un miliardo di tonnellate e la forza di gravità dell’astro è cento miliardi di volte più intenso di quello della Terra, con una velocità di fuga pari ad un terzo di quella della luce!
BUCO NERO
Se la massa di partenza è oltre 25 volte quella solare, anche la resistenza tra i singoli neutroni viene vinta. La materia viene letteralmente stritolata, ma a questo punto è meglio lasciar cadere il discorso… perché ogni considerazione basata sui principi della fisica classica perde significato! Ha infatti senso parlare di “densità infinita”? Non lo so e non è il caso di approfondire; l’unico risultato sarebbe quello di farsi venire un bel mal di testa!
La seguente immagine riassume graficamente quanto detto.

Densità di alcuni materiali

Spunti per approfondimenti
https://hypertextbook.com/facts/MichaelErber.shtml
https://hypertextbook.com/facts/1998/AnthonyColgan.shtml