Gli oggetti compatti

Nel paragrafo sull’evoluzione stellare abbiamo detto che sia nelle nane bianche sia nelle stelle di neutroni il collasso gravitazionale è arrestato da una pressione che non dipende più dalla temperatura a cui si trova il gas, ma dalla sua densità. In astrofisica corpi di questo tipo sono chiamati oggetti compatti e la materia di cui sono composti prende il nome di materia degenere. Per spiegarne il comportamento dobbiamo passare dalla sfera dell’estremamente grande a quella dell’infinitamente piccolo: è la moderna meccanica quantistica che ci viene in soccorso. Non bisogna però stupirsi del salto da una disciplina scientifica all’altra. I diversi rami della scienza si supportano vicendevolmente e sempre più spesso le loro scoperte si sovrappongono a formare un quadro unico più completo. Ora, la meccanica quantistica dice che le particelle atomiche, come i protoni, i neutroni e gli elettroni, hanno una serie di proprietà che li caratterizza: la massa, la carica elettrica e alcuni numeri, chiamati numeri quantici, che ne descrivono l’energia. Particelle di questo tipo obbediscono a una legge chiamata principio di esclusione di Pauli, dal nome del fisico austriaco che la scoprì: due particelle energeticamente identiche non possono coesistere in un volume di spazio molto piccolo. In una nana bianca, la materia è ionizzata e gli elettroni sono svincolati dalle loro orbite atomiche intorno ai nuclei. Durante il collasso gravitazionale, aumenta la densità della materia e quindi la concentrazione di elettroni entro un certo volume di spazio. La compressione continua finché gli elettroni riescono ad assumere configurazioni energetiche che li differenziano. Esaurite tutte le possibili combinazioni, per il principio di esclusione di Pauli in quel dato volume non possono più entrare altri elettroni; si crea una specie di barriera che impedisce alla materia di collassare ulteriormente. La nana bianca raggiunge quindi la sua configurazione stabile finale. Lo stesso meccanismo avviene anche nelle stelle di neutroni; durante il collasso finale l’elevata massa della stella produce densità per cui elettroni e protoni atomici si fondono insieme e formano neutroni. La stella si ritrova così composta da un ammasso compatto di particelle pesanti ed elettricamente neutre che sta implodendo sotto l’effetto della gravità. Ancora una volta vengono in soccorso le proprietà quantistiche di queste particelle che, come gli elettroni, obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Oltrepassata, quindi, una certa soglia, la densità dei neutroni arresta il collasso gravitazionale, stabilizzando definitivamente la stella.

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