Ricerca

09.04.2021

I fenomeni più energetici dell’universo

 

 

L’astrofisica delle alte energie è una disciplina che si occupa di studiare le radiazioni altamente energetiche provenienti dal cosmo e i fenomeni che le generano. Di solito questi fenomeni si verificano in condizioni fisiche estreme, caratterizzate da campi gravitazionali intensissimi, turbolenze, moti di materia a velocità relativistiche (cioè vicine a quella della luce) e via discorrendo. I corpi nei quali avvengono questi processi estremi sono veri e propri acceleratori di particelle cosmici, in quanto riescono a creare radiazione di energie enormemente più alte di quelle che l’uomo può raggiungere anche nei centri di ricerca più avanzati. Di quali corpi si tratta? Vediamone alcuni.

 

Un fenomeno frequente e abbastanza ben studiato sono le supernovae: esplosioni catastrofiche che segnano la fase finale della vita di una stella. Differenti meccanismi possono portare a una supernova: nelle supernovae di tipo Ia, un nucleo stellare “spento” si riaccende esplosivamente quando accresce altra massa, proveniente per esempio da una compagna in un sistema binario. Invece, le supernovae di tipo II sono l’ultimissima fase della vita di stelle molto più grandi del Sole che, giunte alla fine della catena di processi di fusione nucleare, vanno incontro a un collasso che “rimbalza” sul nucleo espellendo tutti gli strati di plasma. L’energia liberata in queste esplosioni è dell’ordine dei 1044 Joule, con una potenza che può superare i 1037 Watt nei minuti iniziali della supernova.

 

Prima di esplodere come supernovae, alcune stelle particolarmente massicce vanno incontro a una fase di reazioni nucleari particolarmente intensive: in tali condizioni, la pressione di radiazione causa forti venti stellari, con velocità fino a 9 milioni di chilometri all’ora, e l’espulsione di grandi quantità di massa dagli strati esterni della stella, tanto che può succedere che ne venga quasi totalmente “denudata”: sono le stelle di Wolf-Rayet. A questa classe appartiene la stella più massiccia e luminosa mai osservata, denominata R136a1, situata nella vicina Nube di Magellano. La sua attuale massa è superiore a 200 volte quella del Sole, ed è almeno 6 milioni di volte più luminosa. La potenza generata equivale a circa 1033 Watt, e si stima che nel corso della sua vita produrrà energie dell’ordine dei 1047 Joule, mille volte più di una supernova.

 

Al centro dell’immagine, la stella R136a1 vista nell’infrarosso. Crediti: ESO/P. Crowther/C.J. Evans, licenza CC-BY 4.0

 

Più in alto nella scala delle energie troviamo i nuclei galattici attivi, che comprendono i quasar e le galassie di Seyfert: si tratta di buchi neri supermassicci nelle zone centrali delle galassie che accrescono gas e polveri dalle zone circostanti. Mentre “cade” sul buco nero, il materiale si scalda per attrito emettendo enormi quantità di energia: le luminosità di questi oggetti sono talmente alte che i nuclei galattici attivi sono effettivamente gli oggetti più distanti che siamo stati in grado di trovare. Tra i primi posti per potenza troviamo J2157-3602, un buco nero di 34 miliardi di masse solari, con una luminosità dell’ordine di 1041 Watt – 700.000 miliardi di volte più luminoso del Sole. Un altro nucleo galattico attivo molto interessante è 3C 273, un cosiddetto “blazar”, nel quale le enormi energie sviluppate creano dei getti di materia ionizzata a velocità che raggiungono il 99% di quella della luce. L’energia liberata in totale da un nucleo galattico attivo può superare i 1056 Joule.

 

Crediti: Sloan Digital Sky Survey, licenza CC-BY 4.0

 

Uno dei fenomeni di alta energia più misteriosi dell’universo sono i lampi gamma, in inglese gamma ray burst (GRB). Come suggerisce il nome, sono emissioni più o meno rapide (da qualche millisecondo a poche ore) di radiazione gamma, la cui origine rimane in gran parte non spiegata, anche se si ritiene che derivino da classi di eventi molto diverse tra di loro; alcuni di essi sono stati associati alle collapsar, esplosioni di supernovae particolarmente estreme. Nel 2008, è stato osservato il lampo gamma più energetico mai scoperto fino a questo momento, denominato GRB 080916C. L’evento, della durata insolitamente lunga di 23 minuti, ha liberato un’energia pari a quella di quasi 6000 supernovae, raggiungendo al picco di luminosità una potenza superiore a 1044 Watt. Si calcola che i getti di gas da cui sono stati emessi i raggi gamma avevano, nei primi istanti, velocità pari al 99,9999% di quella della luce.

 

In cima a questa classifica si trovano dei fenomeni che conosciamo solo da qualche anno: il primo evento di questo tipo, infatti, è stato osservato nel settembre del 2015. Si tratta delle collisioni tra buchi neri, che sono all’origine dell’emissione di onde gravitazionali. il 21 maggio del 2019, grazie alla collaborazione tra gli osservatori LIGO e Virgo, è stata rilevata un’emissione di onde gravitazionali particolarmente potente, risultante dalla fusione di due buchi neri di 85 e 66 masse solari. L’evento, a cui è stato dato il nome di GW190521, ha dato origine a un nuovo buco nero di 142 masse solari; il disavanzo di circa 9 masse solari è stato tramutato in energia ed è stato irradiato sotto forma di onde gravitazionali. Si tratta di un’energia simile a quella emessa dal lampo gamma più luminoso, ma emanata in un tempo molto inferiore – pochi centesimi di secondo. In questo brevissimo intervallo, la potenza generata è stata dell’ordine di 1049 Watt: più di 50 volte la luminosità di tutte le stelle dell’universo prese insieme.

Adesso tocca a te:

 

  • Calcola l’energia emessa dal lampo gamma GRB 080916C e dalla fusione di buchi gravitazionali dell’evento GW190521. Per trovare quest’ultimo valore, dovrai utilizzare la formula dell’equivalenza tra massa ed energia trovata da Einstein: la ricordi?
  • In un grafico a scala bilogaritmica, rappresenta gli oggetti elencati in questo articolo, riportando l’energia sull’asse orizzontale e la potenza sull’asse verticale.
  • Esegui una ricerca sui valori massimi di potenza ed energia sviluppati da eventi, naturali o artificiali, avvenuti sulla Terra, e fai qualche confronto tra ordini di grandezza. Per esempio: a quante bombe termonucleari corrisponde una supernova? E un quasar?

Vedi anche