Evoluzione Stellare e Processi di Fusione Nucleare

Di rilevante importanza troviamo Sirio B. Figura 9: Tracciati evolutivi di alcune stelle sulla sequenza principale. I cammini evolutivi delle stelle sono identificati dalle frecce che uniscono i vari punti o fasi dell'evoluzione stellare. I numeri al lato identificano gli anni necessari allo svolgimento di un percorso evolutivo. Da questi tracciati possiamo notare come condizioni iniziali molto differenti portino a risultati evolutivi molto simili dell'evoluzione stellare. Figura 10: Catena protone-protone (ppI): Quando la temperatura sale sopra $6 \times 10^6$ K diventa efficiente la fusione di protoni secondo lo schema $^1H + ^1H \rightarrow ^2H + e^+ + \nu$; $^2H + ^1H \rightarrow ^3He + \gamma$; e da qui tre processi sono possibili (indicati come ppI, ppII e ppIII). Nell'immagine è riportato il processo ppI. Figura 11: Ciclo CNO: Se nel materiale stellare sono inizialmente presenti gli elementi C, N e O e se la temperatura è sufficientemente elevata, possono avvenire due cicli di reazioni noti come CN e CNO che portano alla fusione indiretta di quattro nuclei di idrogeno $^1H$ in un nucleo di $^4He$ attraverso l'azione catalizzatrice del carbonio $^{12}C$, Azoto $^{13}N$ e ossigeno $^{15}O$. Trasmutazione degli elementi che compongono la stella, questa collasserebbe gravitazionalmente autodistruggendosi. Viceversa, la temperatura interna proveniente dal collasso gravitazionale innesca reazioni nucleari che contrastano l'azione gravitazionale, permettendo alla stella di sopravvivere in un apparentemente precario equilibrio idrostatico. Agli effetti pratici, nell'evoluzione di una stella sono possibili sei fasi di combustione nucleare esoenergetica che avvengono a temperature e densità via via crescenti e che coinvolgono progressivamente l'idrogeno, l'elio, il carbonio, il neon, l'ossigeno e il silicio. Tuttavia, per la maggior parte della loro evoluzione le stelle operano convertendo idrogeno in elio. Ad esempio, allo stato attuale il Sole converte circa 700 milioni di tonnellate di idrogeno H in 695 tonnellate di elio He. Le cinque tonnellate di idrogeno mancante sono convertite in energia secondo la ben nota relazione $\Delta E = c^2 \Delta m$ (8). Considerando la conversione di idrogeno in Elio, le catene nucleari più importanti sono due: la prima chiamata catena protone-protone che è la diretta, ma non simultanea, fusione di quattro protoni per formare un nucleo di $^4He$ (Fig. 10); la seconda, chiamato ciclo CN o CNO che consiste nella fusione indiretta di quattro protoni in un nucleo di $^4He$ attraverso l'uso di carbonio C, Azoto N e ossigeno O come catalizzatori (Fig. 11). Mentre il primo è più efficiente, e quindi domina, per temperature tipiche di stelle nella sequenza principale di massa $\lesssim 1.3 M_\odot$, il secondo diventa dominante per stelle di massa superiore a questa soglia critica (Fig. 12). Convertito tutto l'idrogeno in elio nelle regioni centrali di combustione, non vi sono sorgenti nucleari immediatamente disponibili. Queste regioni si contraggono gravitazionalmente aumentando l'energia interna e la temperatura fino a valori tali da innescare successive reazioni. Appena la temperatura diventa sufficiente si innesca così il processo tripla-$\alpha$: $^4He + ^4He \rightarrow ^8Be$ (9); $^8Be + ^4He \rightarrow ^{12}C + \gamma$ (10); che porta alla produzione di carbonio $^{12}C$ e consecutivamente di ossigeno $^{16}O$ e neon $^{20}Ne$ attraverso le $^{12}C + ^4He \rightarrow ^{16}O + \gamma$ (11); $^{16}O + ^4He \rightarrow ^{20}Ne + \gamma$ (12). Con temperature superiori avvengono poi i bruciamenti del carbonio, ossigeno, neon con conseguente produzione di elementi pesanti quali il magnesio (Mg), sodio (Na), fosforo (P), zolfo (S), e infine con la combustione del silicio si ha la produzione di calcio (Ca), nichel (Ni), titanio (Ti), ferro (Fe) e altri. Fasi dell'evoluzione stellare Per evoluzione stellare, in questo contesto, intendiamo quella serie di mutamenti stellari fisicamente osservabili che coinvolgono caratteristiche fisiche della stella quali temperatura, luminosità, massa, densità etc. È chiaro che tali mutamenti non possono dare conto dell'effettiva evoluzione stellare non più di quanto l'osservazione dei mutamenti fisici durante la vita di un uomo possa dare conto della sua evoluzione spirituale. Tuttavia, l'analisi di tali parametri può essere utile per avere un'intuizione dei processi che avvengono nelle realtà stellari. Abbiamo detto che l'elemento costitutivo primario delle stelle è l'idrogeno che si presenta nello spazio sotto forma di nubi.