Dai buchi neri alle prime cellule.
Itinerari di Astronomia

 
 
IL SOLE
di Rita Cabano-VC
 
CARATTERISTICHE GENERALI
GENESI ED EVOLUZIONE DEL SISTEMA SOLARE
COSTITUZIONE FISICA
LE RECENTI SCOPERTE DI SOHO
 
Caratteristiche generali
 

Astro centrale del sistema centrale di cui fa parte la terra, sorgente inesauribile di luce e di calore, fonte di ogni forma di vita, cuore dell’organismo planetario al quale le sue palpitazioni luminose apportano fecondità. Per l’uomo è l’astro più luminoso del cielo; brilla di splendore incomparabile e la sua luminosità apparente è - 26,7. In realtà il sole non è che una stella simile a quelle che vediamo a migliaia sulla volta del cielo. È una stella fissa della serie principale( diagramma di Hertzprung- Russel), cioè del tipo più comune e neppure delle più grandi; è uno dei cento miliardi di astri che formano il sistema galattico sulla Via Lattea. La sua distanza media dalla terra è di circa 1,495 milioni di km. Nei dati che seguono le cifre tra parentesi indicano quante volte essi siano maggiori di quelli della terra. Diametro 1394000 km (109); superficie 6060 miliardi di km  (11881); volume 1,41 10 g (1295029; massa 1,98 10 g (332000); densità media 1,41 g/cm (0,256). L’accelerazione gravitazionale alla sua superficie è di 2,74 10  cm/sec ; un corpo vi pesa 27,84 volte più che sulla terra. Il sole ruota attorno ad un proprio asse , ma con velocità diversa a seconda della latitudine: minore ai poli e crescente verso l’equatore; la rotazione all’equatore dura 25 giorni, mentre al polo dura più di 30 giorni. Il nostro astro ha anche un moto di traslazione nello spazio, unitamente a tutta la sua famiglia planetaria; si dirige verso un punto della costellazione di Ercole alla velocità di 19,5 km/sec. Il sole è una potentissima fonte di energia, che viene irradiata senza posa in ogni direzione dello spazio. La sua luce per arrivare sulla terra impiega 8 minuti e 18 secondi. Esaminando la composizione interna del sole, si deve sottolineare che l’interno di questa stella è costituito per almeno il 98% da idrogeno e elio allo stato di plasma, cioè sotto forma di una miscela di elettroni liberi e di nuclei atomici. Elementi più pesanti non rappresentano che il 2% della massa totale. Queste conclusioni derivano solo da considerazioni teoriche, che tengono conto di numerosi dati ormai disponibili sulla natura delle stelle. La natura degli strati più esterni, invece è stata definita attraverso l’analisi spettrografica, rivelando la loro composizione all’85% di idrogeno, al 15% di elio e alla restante parte (meno dell’1%) di elementi più pesanti. La scoperta sul sole di elementi più pesanti dell’elio, per i quali sono necessarie reazioni nucleari che richiedono temperature enormemente più elevate di quelle finora raggiunte dal sole, ha portato alla conclusione che la nostra stella è fatta di materiale riciclato, di atomi che si sono sicuramente formati all’interno di stelle ben più grandi del sole.
 

Genesi ed evoluzione del sistema solare
 

Se circa 5 miliardi di anni fa qualcuno fosse passato dalle nostre parti, non avrebbe visto né la Terra , né il sole e neppure gli altri pianeti del sistema solare. Avrebbe visto semplicemente una grande nuvola di polveri e gas vaganti nello spazio. Ma la nostra nebulosa stava per conoscere una grande trasformazione, che può essere spiegata solo considerando la struttura e il movimento della nostra galassia, che, come molte altre, ha una forma a spirale, ovvero è simile a una girandola a bracci allungati, che lentamente ruota su sé stessa. Il fenomeno interessante è che i bracci della spirale non ruotano alla stessa velocità dei gas, delle stelle e delle polveri che contengono: mentre i bracci ruotano in modo rigido( cioè conservano la propria forma), le stelle, il pulviscolo e i gas ruotano a velocità costante, quindi i più lontani dal centro ruoteranno a velocità maggiore dei vicini al centro. Quindi, entrando gas e pulviscoli nei bracci della galassia, si creano perturbazioni al suo interno, che contribuiscono alla nascita di nebulose locali, da cui nasceranno poi i sistemi solari. Per quanto riguarda la condensazione che ha dato origine al nostro sistema solare, essa è stata certamente accelerata dall’esplosione di una supernova avvenuta in una zona non troppo lontana: la supernova avrebbe proiettato i suoi gas caldi a velocità altissima nello spazio, fino a raggiungere la nostra fredda nebulosa locale. A causa di tali perturbazioni la nebulosa si trasformò in un grande disco gassoso ruotante al cui centro c’era la sfera fissa del sole e lungo i vari solchi giravano altre sfere di gas in formazione, che si sarebbero trasformati nei futuri pianeti. La sfera di gas centrale, formata da gas leggeri, aumentò sempre più la sua massa, attraendo un numero crescente di altri gas leggeri di passaggio, così che si formò, al centro del disco, una palla sempre più grande di idrogeno e anche con un po’ di elio, che, a forza di crescere diventò sempre più calda al suo interno fino ad accendersi e diventare una stella.
Infatti i gas compressi si scaldano, e la loro temperatura aumenta tanto più aumenta la pressione. Così, gli atomi che piovevano sulla superficie forzavano sempre di più quelli interni, facendo allo stesso tempo aumentare la temperatura fino a farle raggiungere i 10 milioni di gradi, temperatura alla quale gli atomi vengono letteralmente rotti e fusi: i nuclei di idrogeno venivano fondendosi tra loro e dalla formula 1 + 1(un protone, un neutrone), si passava alla formula 2 + 2(due protoni, due neutroni), ovvero, dall’idrogeno si passava all’elio.

Questo attraverso la catena protone- protone:
H1+ H1 = H2+ e  + v
H1 + H2 = He3
He3 + He3 = He4 +2H1.

Nel caso di tale reazione di fusione una parte di massa scompare: la massa atomica complessiva dei quattro protoni che si uniscono è infatti 4,032, mentre quella dell’elio è 4,003. Avviene infatti che lo 0,7 di massa che scompare si trasforma in energia secondo la ben nota formula di Einstein:  E=  mc, così che basta che pochi grammi di idrogeno si trasformino in elio perché si liberino quantità enormi di energia. La fusione termonucleare idrogeno-elio è molto lenta perché è molto bassa la probabilità dell’innesco della catena protone protone; tuttavia la densità dei protoni del nucleo è talmente elevata che in ogni secondo si verificano 10   catene protone-protone. La nostra stella perde quindi ogni secondo 4,5 miliardi di tonnellate di massa che viene convertita in energia. Secondo alcune stime il serbatoio del combustibile solare è oggi circa a metà, e quindi già fra circa 4-5 miliardi di anni il sole morirà. Tuttavia già molto prima, forse tra circa tre miliardi di anni,  avverranno preoccupanti cambiamenti che renderanno sempre più difficile la vita sulla terra. Il primo inizio sarà un aumento della luminosità e della temperatura della fotosfera, che passerà da 6000 a 6500 C. Il sole diventerà leggermente più azzurro e circa il 15 % più grande. Sulla Terra la temperatura media comincerà ad alzarsi di 4 o 5 gradi e i ghiacciai e le calotte cominceranno a sciogliersi. L’evaporazione degli oceani si accentuerà, creando così cambiamenti climatici imprevedibili. Forse la stessa pressione atmosferica aumenterà. Anche i raggi ultravioletti aumenteranno di intensità. Tutti questi cambiamenti si produrranno però lentamente lasciando il tempo per adattamenti biologici e tecnologici. Ma col passare del tempo le cose diventeranno sempre più difficili. La vera e propria fine avverrà prima di 5 miliardi di anni, quando il sole esaurirà il suo combustibile( l’idrogeno ). La fornace solare tenderà allora a spegnersi e i gas sovrastanti crolleranno verso il centro in quanto verrà meno l’equilibrio tra la forza di gravità e la forza delle reazioni nucleari; equilibrio che permette la stabilità della stella. Venendo meno la forza delle reazioni nucleari, la pressione aumenterà paurosamente portando la temperatura da 10 a 100 milioni di gradi: la fornace tornerà allora ad accendersi, utilizzando questa volta l’elio come combustibile. Il nuovo prodotto di scarto sarà questa volta il carbonio. Queste reazioni interne faranno espandere in modo gigantesco il sole, che diventerà una gigante rossa. Gli strati più esterni inghiottiranno le orbite di Mercurio e di Venere. Dalla Terra si vedrà allora un enorme astro dalla luce rossastra che occuperà un terzo del cielo. La gigante, espandendosi sempre di più, brucerà il nostro pianeta: gli oceani evaporeranno, le rocce fonderanno, tutto scomparirà: vegetazione, case, opere d’arte. Più nulla resterà delle civiltà che si sono susseguite nella storia del nostro pianeta. Il sole non rimarrà a lungo una gigante rossa: quando anche l’elio sarà finito ci sarà un nuovo crollo degli atomi esterni verso il centro e la temperatura aumenterà allora da 100 a 600 milioni di gradi. Questa volta sarà il carbonio a servire da carburante( cioè ad essere stritolato e fuso) per produrre ossigeno come elemento di scarto. Ogni volta che si effettua questa escalation ( fine del carburante, collasso degli atomi esterni, aumento della temperatura, passaggio a un nuovo tipo di carburante) il sole è sconvolto da un’esplosione, e lancia verso lo spazio i gas degli strati più esterni. In teoria l’ossigeno può trasformarsi a un miliardo di gradi in un nuovo combustibile per produrre zolfo e silicio. Mentre a 3 miliardi di gradi lo zolfo potrebbe a sua volta produrre elementi della famiglia del ferro. Oltre al ferro, non si può più andare, poiché le reazioni di fusione tra atomi non avvengono più in modo spontaneo. Ma gli astronomi ritengono che il sole sia troppo piccolo per arrivare a tali temperature. Se fosse più grande potrebbe continuare la sua escalation e diventare una supernova, cioè potrebbe creare reazioni nucleari fino agli elementi più pesanti e poi finire il ciclo con un enorme botto: l’esplosione d di una supernova, capace di proiettare nello spazio un gran numero di elementi ad altissima velocità e temperatura, raggiungendo, raggiungendo magari una nube primitiva vagante nello spazio e provocando un nuovo sistema solare. In n questo modo il ciclo potrebbe ricominciare altrove , con la nascita di un nuovo sole e magari di altri pianeti. Ma il nostro sole è troppo piccolo per trasformarsi in supernova. Dovrebbe invece trasformarsi in una nana bianca, cioè quando la fornace si spegnerà, gli strati esterni precipiteranno nuovamente, ma questa volta la pressione e la temperature non saranno più sufficienti a innescare un nuovo tipo di fusione nucleare, per salire di un altro gradino nell’escalation. Il sole si trasformerà in una piccola stella estremamente compatta e luminosa, una nana bianca. Essa continuerà a brilla re per migliaia di anni, ma la fornace, ormai spenta si affievolirà lentamente. Alla fine il sole diventerà una nana nera, un oggetto scuro incapace di ulteriore evoluzione. Sarà così la fine del Sistema solare.
 

Costituzione fisica
 

Ma ora addentriamoci nella costituzione fisica del sole. Si tratta di una massa gassosa ad altissima temperatura costituita da una serie di involucri concentrici, anche se, considerando la loro natura gassosa, non si possono stabilire limiti precisi. I calcoli relativi alla parte centrale del nucleo, pur basati su ipotesi diverse, conducono tutti agli stessi dati approssimativi: temperatura sui 20 milioni di gradi, densità comprese tra 45 e 115 g/cm  , pressione 100 miliardi di atmosfere. Dipende da questi valori eccezionali, che non trovano nessun riferimento nella nostra immaginazione, se gli elementi gassosi esistenti nell’interno dell’astro possono acquistare proprietà e densità paragonabili a quelli dei liquidi e forse anche dei solidi. È proprio in questa zona, che ha un raggio di circa 150000 km, che avviene la produzione di energia e la trasformazione dell’idrogeno in elio. L’energia qui prodotta si propaga verso l’esterno con un processo di radiazione che interessa l’involucro gassoso circostante per uno spessore di circa 500000 km, chiamato zona radiativa, in cui gli atomi dei gas assorbono e riemettono energia ma per la minor temperatura non danno luogo a reazioni nucleari. Questa zona è racchiusa da una fascia più esterna, la zona convettiva, dove i gas per la minor pressione, diventano meno stabili e si innescano immensi movimenti convettivi, che sono attualmente particolare oggetto di studio del Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), una sonda lanciata il 2 dicembre 1995 dalla European Space Agency e dalla National Aeronautic and Space Administration per chiarire i misteri che ancora circondano l’attività magnetica del sole.
La sonda ha raggiunto il 14 febbraio 1996 la sua posizione strategica permanente, corrispondente a uno dei punti lagrangiani dell’orbita terrestre, nei quali vi è equilibrio tra l’attrazione gravitazionale terrestre e quella solare; il veicolo orbita quindi attorno al sole così come il nostro pianeta, essendo quindi in grado, diversamente da tutte le sonde precedenti, che erano periodicamente oscurate dalla terra, di osservare la stella con continuità, rivelando dettagli senza precedenti grazie ai suoi 12 strumenti. È appunto studiando le perturbazioni fotosferiche, ovvero i rimescolamenti della superficie visibile solare, chiamata fotosfera, che si è scoperto che esse sono prodotte da onde sonore che attraversano l’interno del sole. Le onde sono intrappolate dentro il sole in quanto non possono propagarsi nel vuoto quasi perfetto dello spazio. Quando incidono sulla superficie solare e rimbalzano all'indietro, perturbano il gas fotosferico, inducendolo ad alzarsi ed abbassarsi lentamente e periodicamente, con un periodo di circa cinque minuti. Queste oscillazioni sono l’effetto combinato di circa 10 milioni di note distinte, ognuna delle quali ha una propria traiettoria di propagazione.
Già da più di tre secoli gli astronomi sanno che la fotosfera ruota più velocemente all’equatore che non a latitudini elevate, e che la latitudine diminuisce uniformemente andando verso ciascun polo.
 

Le recenti scoperte di Soho
 

I dati di SOHO confermano che questo andamento differenziale si mantiene per tutto lo spessore della zona convettiva, mentre, scendendo a circa un terzo del raggio della stella, la velocità di rotazione diventa uniforme da polo a polo: si ha quindi una variazione netta alla base della zona convettiva. Si pensa ora che questo strato sottile in cui si hanno effetti di taglio a causa della rotazione differenziale possa esser alla base del magnetismo solare. Ma ora analizziamo con maggior attenzione la superficie luminosa del sole, la fotosfera: strato più profondo accessibile al controllo diretto, essa separa i gas opachi dell’interno da quelli trasparenti esterni. Emette la quasi totalità della luce che noi riceviamo dal sole e forma il disco solare quale noi lo vediamo. Lo spessore della fotosfera è valutato dai 2000 ai 3000 km; la sua composizione chimica è quella normale della materia cosmica: nubi metalliche incandescenti a temperatura elevatissima. La superficie della fotosfera non è liscia, ma presenta una struttura a granuli brillanti; questi sono formati da masse di gas ben più calde delle zone circostanti e pertanto salgono in quota a velocità di circa un km/sec, si raffreddano e tornano verso il basso. Questi movimenti verticali non sono altro che la parte superiore dei ben più vasti movimenti convettivi che caratterizzano la zona sottostante, detta appunto, convettiva. La superficie brillante della fotosfera non è omogenea, ma appare costellata da macchie solari, continuamente variabili per dimensioni, forma e numero. piccole aree scure, depresse rispetto alle zone circostanti, esse sono punti freddi della fotosfera( circa 1500 k in meno rispetto alla superficie circostante). Le macchie appaiono in genere a gruppi e in ognuno si può rintracciare una regolare evoluzione: per un certo tempo dopo la comparsa, le macchie aumentano di dimensione e di numero, poi cominciano a ridursi fino ad estinguersi, mentre altri gruppi nascono altrove. Il loro numero non è costante, ed esse non compaiono su tutta la superficie solare, ma soltanto a latitudini comprese tra 40 N e 40 S. un’altra caratteristica importante delle macchie è che ad esse è associato un forte campo magnetico( fino a 10000 volte più intenso di quello terrestre). Infatti fu a metà degli anni ottanta che tre satelliti per lo studio del sole( Solar Maximumu mission, Nimbus 7 ed Earth Radiation Budget) provarono che la nostra stella va incontro a fasi di riscaldamento e di raffreddamento e che tali fasi dipendono dal numero di macchie solari presenti. Ovviamente il dibattito scientifica sulle macchie è tutt’altro che esaurito, anche per i loro particolari effetti sul clima terrestre. Le più antiche testimonianze note sulle macchie risalgono a 2000 anni fa e sono documenti cinesi. Fra il 1609 e il 1611 diversi studiosi tra cui Galileo Galilei, iniziarono a studiare le macchie con telescopi primitivi e scoprirono una periodicità evidente di circa 10 anni. Ma fu solo in questo secolo che George Ellery Hale del Mount Wilson Observatory in California scoprì che queste scure macchie irregolari sono sede di forti campi magnetici, con intensità di migliaia di gauss. Le macchie si formano nei punti in cui intensi campi magnetici bloccano i movimenti del gas solare, impedendo il trasferimento di calore dall’interno della superficie. Le linee di forza del campo magnetico tendono ad emergere dalla superficie solare in un punto e a rientrarvi in un altro, collegando le macchie in coppie che assomigliano ai poli di un magnete a barra orientato più o meno in direzione est- ovest. All’inizio di ciascun ciclo della durata di 11 anni, le macchie solari appaiono alla latitudine  di 40 gradi in entrambi gli emisferi; via via che il ciclo procede, esse si formano sempre più vicine all’equatore. In corrispondenza del minimo ciclo presso l’equatore si osservano zone di intenso magnetismo chiamate regioni attive. Nel 1925 Hale e Seth Nicholson scoprirono che la polarità si inverte ogni 11 anni, così che un ciclo intero impiega 22 anni a compiersi. L’atmosfera solare è costituita da una cromosfera e da una corona. La prima è un involucro trasparente di gas incandescente che avvolge la fotosfera, con uno spessore di circa 10000 km. Essa deve il suo nome al colore rosso, ha infatti uno spessore non uniforme con l’aspetto di una prateria infuocata. È composta prevalentemente di idrogeno incandescente a pressione estremamente bassa e la sua temperatura è inferiore a quella della fotosfera. La rarefazione è così alta che, per le esperienze di laboratorio, può essere considerata pari al vuoto assoluto. Fenomeni spettacolari della cromosfera sono le protuberanze, enormi getti di gas incandescenti che si elevano ad altezze enormi e che dipendono dall’intensa attività del sole. SOHO sta aiutando gli studiosi anche a comprendere meglio l’atmosfera solare o corona. Il netto margine esterno del sole è un’illusione, esso indica solamente il livello oltre il quale il gas solare diventa trasparente. L’invisibile corona si estende fino al di là dei pianeti e pone uno dei paradossi più difficili della fisica solare: è incredibilmente calda, dato che raggiunge temperature di oltre un milione di gradi kelvin appena al di sopra della fotosfera( 5780 k). Ma il calore non può in alcun modo fluire da una zona più fredda ad una più calda, perché ciò violerebbe il secondo principio della termodinamica. La causa dell’aumento della temperatura nella corona è da cercarsi nella legge cinetica dei gas e nei moti convettivi della fotosfera, dai quali si propagano a velocità supersonica onde d'urto che raggiungono la corona: i gas assorbono l'energia di tali onde e la loro temperatura cresce. La corona o leucosfera (sfera bianca) si sviluppa fino ad altezze enormi, con uno spessore paragonabile al diametro solare; ha colore bianco latteo, è visibile durante le eclissi totali ed appare come un’immensa aureola. La corona è in un tale stato di rarefazione da non essere concepibile né ad esperienza di laboratorio, né a concezione umana. Basti pensare che talune comete hanno attraversato la corona senza essere in alcun modo influenzate. Si ritiene perciò che essa sia costituita da gas di elettroni liberi, sebbene questa ipotesi non sia ancora certa. Molto interessanti da analizzare sono due aspetti dell’attività della parte esterna del sole, le protuberanze e i brillamenti. I primi sono grandi nubi filamentose di idrogeno che si innalzano dalla cromosfera e penetrano ampiamente nella corona. Hanno forma di immense fiammate e la loro temperatura è compresa tra i 15000 e 25000 K. Per quanto riguarda invece i brillamenti, essi sono violentissime esplosioni di energia che compaiono di tanto in tanto in prossimità di grandi gruppi di macchie, per poi estinguersi completamente. Secondo le osservazioni di SOHO queste esplosioni avvengono presso diffusissimi punti caldi che si formano a un milione di gradi Kelvin e hanno origine in piccoli anelli magnetizzati di gas caldissimo, che sono presenti su tutta la superficie del sole, poli compresi. Alcune di queste regioni esplodono e proiettano verso l’esterno
Materia a velocità di migliaia di chilometri al secondo. Gli scienziati di SOHO stanno ora studiando questi punti luminosi per stabilire se abbiano un ruolo importante nel meccanismo di riscaldamento della corona. SOHO ha notato durante la fase magnetica del sole fori coronali estesi ( regioni estese di bassa densità e temperatura, dove le emissioni EUV e X sono anormalmente scarse o assenti) presso i poli nord e sud, mentre le regioni equatoriali erano circondate da getti rettilinei e piatti di materia diretta verso l’esterno. Più all’esterno della corona i getti si assottigliano e si allungano per decine di milioni di chilometri nello spazio. Queste protuberanze sequestrano materia a temperatura di circa due milioni di Kelvin, creando una fascia di gas molto caldo che si estende tutta attorno al sole. I getti si comportano esattamente come dice il loro nome: la materia sembra fluire con continuità lungo i loro campi magnetici aperti. Questi fenomeni violentissimi proiettano nello spazio interplanetario miliardi di tonnellate di gas avente una temperatura di milioni di Kelvin, a una velocità di centinaia di chilometri al secondo. Questa materia spesso impiega solo due o tre giorni a raggiungere la terra. Così l’atmosfera caldissima e turbolenta del sole si espande continuamente in tutte le direzioni, riempiendo il sistema solare di un flusso incessante (il vento solare) che contiene elettroni, ioni e campi magnetici. La corona, con la sua elevatissima temperatura, crea una pressione verso l’esterno che supera l’attrazione gravitazionale del sole, consentendo l’emissione continua di materia solare. Il vento accelera nell’allontanarsi dal sole. Via via che la corona si disperde deve essere reintegrata da gas che risale dal basso per alimentare il vento. Misurazioni precedenti, come quelle eseguite dalla sonda Ulysses lanciata nel 1990, hanno dimostrato che nel vento solare vi sono due componenti, una lenta e una veloce: la prima si propaga a circa 400 km al secondo, la seconda a velocità circa doppia. Non si sa esattamente dove abbia origine la componente lenta, né che cosa dia una spinta ulteriore alla componente veloce, ma proprio SOHO dovrebbe fornire le risposte. Comunque la componente lenta è associata alle regioni equatoriali del Sole. La componente veloce fuoriesce invece dai fori coronali polari( qui i campi magnetici aperti consentono alle particelle cariche di sfuggire all’attrazione gravitazionale e magnetica del sole).
Via via che la nostra civiltà diventa sempre più dipendente da sofisticati sistemi di comunicazione basati nello spazio, le perturbazioni originate dall’attività del sole rischiano di provocare danni di sempre maggiore gravità. Per esempio, le grandi eruzioni coronali possono dare origine a intense aurore nei cieli polari e danneggiare o distruggere i satelliti in orbita o, ancora, rappresentare una minaccia per gli astronauti e distruggere i circuiti elettronici dei satelliti. Se sapessimo quali alterazioni del magnetismo solare precedono questi fenomeni violenti, SOHO potrebbe costruire un sistema di preallarme in grado di aiutarci ad alleviare i loro effetti.
 
 
 
 

BIBLIOGRAFIA
 
Autori Vari: UNIVERSO.  Istituto geografico De Agostini. Vol. XI: pagg 283-285. Novara 1966.

Piero Angela: VIAGGIO NELLA SCIENZA: L’UNIVERSO. Pagg. 22-40. La Repubblica Roma 1997.

Bruno Accordi, Elvidio Lupia Palmieri: IL GLOBO TERRESTRE E LA SUA EVOLUZIONE.  Zanichelli: pagg. 24-29. Bologna
 
Kenneth R. Lang: SOHO SVELA I SEGRETI DEL SOLE. Le Scienze n. 34, maggio 1997: pagg. 32-39.
 
 
 


Last Updated: Marzo-13-1998
Web Author: Michele Sacchetti
Web Assistent : Giovanni Vaccari
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