di Mattia Piccoli

Introduzione

Quando alziamo gli occhi durante la notte ci appare il cielo stellato, lo sfondo sul quale si svolgono le danze cosmiche di Sole, Luna e pianeti. Sfondo che ci sembra immutabile, con le stelle che sembrano oggetti perfetti, inalterabili, eterni, oggetti che ci trasmettono tranquillità nel loro costante risplendere in cielo.
Non ci può essere però pensiero più distante dalla realtà, perché l’Universo è tutt’altro che un luogo tranquillo e sereno. Esso è dinamico, pericoloso e pieno di fenomeni estremi. Basta adattare la nostra percezione del trascorrere del tempo alla durata di vita delle stelle per vedere il tumulto del mondo che ci circonda: le stelle cambiano, le stelle variano, le stelle si arrossano, si espandono, si contraggono, collidono, esplodono, si scambiano materia e tutto in un batter di ciglia nella scala del tempo cosmico.

Cos’è però una stella? Cercando si semplificare la questione ai minimi termini, una stella è una grande palla di gas che rimane stabile grazie al bilanciamento della forza di gravità, che tenderebbe a schiacciarla verso il suo centro, e la pressione dovuta alle reazioni nucleari nel nucleo, che tenderebbero a farla espandere. Durante il loro ciclo evolutivo le stelle attraversano dei periodi di instabilità, durante i quali cercano di ritrovare il loro equilibrio, e ciò causa delle variazioni nella loro luminosità. Quando, infine, non saranno più in grado di sostenere reazioni di fusione nucleare al loro interno, la gravità avrà il sopravvento e la stella diverrà, a seconda della sua massa, una nana bianca oppure, a seguito della sua esplosione, lascerà una stella di neutroni, un buco nero o soltanto un guscio di gas in espansione.
Si può dire, quindi, che quasi tutte le stelle saranno prima o poi variabili: è solo questione di tempo. Alcune varieranno molto lentamente e secondo cicli regolari, altre velocemente e imprevedibilmente, altre ancora pochissimo, altre infine diverranno migliaia di volte più luminose. Tutte le stelle variabili con le loro variazioni ci raccontano qualcosa di loro: ci dicono quanto sono vecchie, quanto sono distanti, quanto sono massicce, quanto sono grandi.
Le stelle sono le fornaci dell’universo che trasformano la materia e da essa producono energia. Quasi la totalità degli elementi che seguono l’idrogeno e l’elio nella tavola periodica si sono formati nelle stelle o in processi legati ad esse. La Terra è fatta di elementi forgiati nelle stelle: noi siamo fatti delle materia elaborata da esse e l’energia contenuta nei legami chimici delle molecole di ATP, che sono al nostro interno, proviene dal processo di fusione dell’idrogeno in elio che avviene dentro il Sole.
Ovunque troverete vita nell’Universo. State certi che nei paraggi troverete anche una stella.
Per conoscere il nostro posto nel cosmo dobbiamo dunque conoscere le stelle. E per conoscerle dobbiamo conoscere le loro variazioni.

 I tipi di variabili

Le stelle variabili, in realtà, non sono solo quelle che variano le loro condizioni fisiche interne e che quindi cambiano la quantità di luce che irradiano, ma sono tutte quelle stelle che variano la loro luminosità apparente rispetto al nostro punto di vista. Per questa ragione è importante fare una prima distinzione tra le variabili, che si dividono in due grandi categorie: le intrinseche e le estrinseche.

Figure 1: L’albero degli oggetti che presentano variazioni di magnitudine
(“Variable stars across the observational HR diagram” di Laurent Eyer e Nami Mowlavi 2008, JPhCS.118a2010E).

1   Le variabili estrinseche

Non tutte sono necessariamente instabili e subiscono mutamenti profondi nella loro struttura. Esistono anche stelle relativamente stabili che, però, in un modo o nell’altro, non dirigono nella nostra direzione sempre la stessa quantità di radiazione, e ciò può essere dovuto a fenomeni superficiali della stella, alla sua forma o alla presenza di una stella compagna. I principali tipi di variabili estrinseche sono quelle ad eclissi e le rotanti.


1.1 Le variabili rotanti

Qualsiasi corpo celeste ruota, dai granelli di polvere interplanetaria ai buchi neri. Anche le stelle pertanto lo fanno. Il Sole, per esempio, compie una rotazione in circa un mese, anche se in realtà, essendo un corpo composto di gas, la sua velocità di rotazione dipende dalla latitudine.
Le variabili rotanti sono stelle che presentano, ad esempio, delle disuniformità sulla loro superficie che si presentano alla nostra vista o meno durante la rotazione e per questo la stella si mostrerà più o meno luminosa. Queste disuniformità possono essere dovute a intensi campi magnetici locali che, a seconda dei casi, creano sulla superficie stellare zone chiare o scure. Il Sole è quindi una stella variabile rotante a causa delle macchie solari sulla sua fotosfera; le variazioni di brillantezza sono però molto più contenute di quelle di alcune nane rosse sulle quali si formano così tante macchie di grandi dimensioni da oscurare oltre il 25% della superficie visibile.

Figura 2: Gruppo di macchie solari (video ripresi dal gruppo astronomico del
Liceo Scientifico Niccol`o Copernico Copernicosmo ed elaborati dall’autore).

Un altro tipo di stelle variabili rotanti sono quelle che, a causa delle forze mareali di una stella compagna, assumono una forma ellissoidale. Durante la sua rotazione la stella ci mostrerà superfici diverse e per questo osserveremo degli aumenti e delle diminuzioni della sua luminosità apparente.

1.2 Le variabili ad eclissi

La maggior parte delle stelle che vediamo in cielo non sono singole, ma hanno una o più compagne. Il primo caso, ovvero quello delle stelle doppie, è il più comune, dato che un sistema di due corpi è stabile, mentre un sistema con più di due corpi non rimane tale nel tempo.
Può capitare che il piano orbitale di un sistema binario sia allineato con la nostra linea di vista e ciò permette di assistere ad una mutua eclissi delle due stelle che si rifletterà sul flusso luminoso totale del sistema (il quale, a meno di usare strumentazione particolare, apparirà non risolto). L’esempio più eclatante di questa tipologia è Algol (beta Per) il cui nome significa “demonio” perché sembra ammiccare a causa della mutua eclissi delle due stelle.

Figure 3: In basso curva di luce di Algol e sopra le diverse fasi di rotazione delle
due stelle che ne compongono il sistema.

2 Le variabili intrinseche

Finora abbiamo compreso che le stelle possono cambiare nel tempo ma non ci siamo ancora addentrati nel fantastico mondo delle variabili intrinseche, cioè quelle stelle che mutano la loro brillantezza a causa di fenomeni che ne alterano le proprietà fisiche e che quindi ne mutano la quantità di energia emessa.

2.1 Le variabili pulsanti

Tutte le stelle emettono luce, ma la riflettono anche? La risposta è no. Se idealmente spegnessimo una stella, essa ci apparirebbe nera come la pece; se la illuminassimo con una luce, solo una piccola parte di essa ritornerebbe ai nostri occhi, mentre il resto rimarrebbe intrappolato al suointerno (e ne farebbe aumentare la temperatura).
Un oggetto che assorbe la totalità della luce ad esso incidente per convertirla in energia termica e riemetterla sotto forma di radiazione è definito corpo nero. Una stella quindi si può facilmente approssimare ad un corpo nero.
Un corpo nero caldo emette luce. Un esempio può essere un pezzo di acciaio incandescente che emette radiazione rossa, oppure il nostro corpo che emette radiazione infrarossa, o ancora l’arco elettrico di una saldatrice che emette radiazione ultravioletta. La quantità L di energia irradiata nell’unità di tempo da un corpo nero di temperatura T e raggio R in un secondo sarà data dalla legge di Stefan-Boltzmann:

Da essa si può intuire come la luminosità di una stella (l’energia irradiata nell’unità di tempo) e quindi la sua magnitudine apparente siano legate alla superficie della stella.
Le stelle pulsanti sono stelle che variano la loro brillantezza a causa della variazione della loro superficie e ciò può essere dato da due cause concomitanti o meno:
– la variazione del raggio della stella con il mantenimento della sua forma (questo tipo di variabili pulsanti si dicono radiali);
– la variazione della forma della stella ma non del suo volume (queste si dicono non radiali).


L’oscillazione delle variabili pulsanti radiali è dovuta alla presenza al loro interno di strati di elio (o altri elementi) completamente ionizzato, che è più opaco dell’elio ionizzato una volta -ovvero l’elio che ha perso un solo elettrone- e che quindi assorbe la radiazione proveniente dal nucleo della stella ed aumenta di temperatura; ciò aumenta il numero di atomi ionizzati e di conseguenza l’opacità dello strato. Le temperature poi aumentano sempre di più, finché la stella, a causa della pressione del gas, inizia ad espandersi. Lo strato di elio a questo punto si raffredda ritornando allo stato di ionizzazione iniziale e la stella si contrae ritornando allo stato di partenza. A questo punto il ciclo ricomincia.

2.2 Le variabili eruttive

Fino a qui abbiamo visto categorie di stelle variabili molto, per così dire, tranquille rispetto alle due che stiamo per affrontare adesso. Iniziamo con il tipo di stelle più miti: le stelle eruttive.

Queste sono prevalentemente nane rosse di piccola massa, la cui variabilità è dovuta ai forti campi magnetici presenti sulle loro superfici – probabilmente causati dai moti convettivi che interessano quasi l’intera stella e dalla sua rotazione – le cui linee di campo, torcendosi, rompendosi e riconnettendosi, liberano, in pochi minuti, una quantità di energia pari a miliardi di bombe nucleari. Questi fenomeni sono gli stessi che avvengono in scala ridotta sul nostro Sole e che vengono chiamati brillamenti solari. Durante la prima fase del brillamento, una grande quantità di luce visibile viene emessa da una specifica zona della stella che ne fa aumentare la luminosità; il rilascio di questa grande quantità di energia in un così breve lasso di tempo causa un’onda d’urto nell’atmosfera della stella, causando così la ionizzazione del gas che inizia ad espandersi e raffreddarsi per diminuire di temperatura, portando alla ricombinazione degli elettroni con i nuclei atomici e liberando, sotto forma di luce, l’energia prima acquisita dagli elettroni. Dopo qualche minuto dal brillamento, la stella presenta delle ampie linee di emissione dovute al gas ionizzato in rapida espansione (centinaia di km al secondo). Durante il brillamento, inoltre, si ricevono anche raggi X, ultravioletti e radiazione di sincrotrone (onde radio) date dal movimento spiraleggiante degli elettroni intorno alle linee di campo.

Figura 4: Esempio di brillamento solare (immagine ripresa dall’autore).

2.3 Le variabili cataclismiche

Arriviamo finalmente al tipo di variabili più interessante, complesso ed estremo, ovvero parliamo di quelle stelle che presentano la più ampia variazione di brillantezza, senza però esplodere e distruggersi (nella maggior parte dei casi): le stelle variabili cataclismiche.
Si tratta di un sistema binario molto stretto, composto solitamente da una stella di sequenza principale, simile al Sole o più piccola, e un oggetto molto denso (secondo la definizione standard una nana bianca, ma si può trattare anche di una stella di neutroni o di un buco nero). L’oggetto più denso, per esempio una nana bianca, grazie alla sua intensa forza di gravità e alla sua vicinanza alla compagna, inizia a strapparle parti degli strati esterni, che inizieranno a ruotarle attorno formando un disco di accrescimento di gas ionizzato, che in seguito cadrà sulla superficie della nana bianca ove si accumulerà. Durante questo processo, il sistema può presentare tutte le variazioni di cui abbiamo parlato prima insieme al cosiddetto flickering, un tipo di variazione breve e caotica dovuta probabilmente a meccanismi legati al disco di accrescimento.
Dopo un periodo, che può essere di qualche decina di anni per alcuni sistemi ma anche molto più lungo per altri, sulla nana bianca si sarà formato uno strato di gas sufficientemente spesso da innescare al suo interno, sotto il proprio stesso peso, la fusione dell’idrogeno,causando la deflagrazione dell’intero strato. Questo evento è detto nova, che non deve essere confusa però con le supernovae, le quali si verificano a seguito del collasso di una stella, di una nana bianca o di una stella di neutroni.

Figure 5: Fantasiosa illustrazione della veduta su un sistema binario cataclismico
da un pianeta in orbita intorno ad esso. Crediti: Mark A. Garlick (Spaceart.co.uk).