Un Universo alla volta
Supponiamo di voler costruire una stella. Forse sei parte di un avanzato tipo Kardashiev 3 civiltà, e avete bisogno di fare una stella per il vostro progetto di scienza terza elementare. Come faresti a creare una stella?
A livello base, è abbastanza semplice costruire una stella. Basta raccogliere il valore di una stella di gas e polvere, lasciarla collassare insieme sotto il proprio peso, e dato abbastanza tempo una stella si formerà. Questo è il modo in cui le stelle si formano naturalmente. Ma dal momento che potremmo essere classificati in questo progetto, sarebbe bello avere un’idea di quanta massa potremmo aver bisogno, e quali potrebbero essere le dimensioni e la temperatura della stella risultante.
La risposta dipende un po ‘ dal materiale che usi e da come il materiale si comporta a temperature e pressioni diverse (quella che a volte viene chiamata la sua equazione di stato). Poiché il materiale più comune nell’universo è l’idrogeno, manteniamo le cose semplici e supponiamo che costruiremo la nostra stella con idrogeno puro. Poiché l’idrogeno ha un’equazione di stato molto semplice, è facile calcolare cosa accadrà mentre costruiamo la nostra stella.
Dimensione dei pianeti in massa.
Quando iniziamo a raccogliere l’idrogeno insieme, inizieranno ad accadere due cose. Il primo è che l’attrazione gravitazionale tra gli atomi di idrogeno inizierà a collassare il gas sotto il proprio peso. Il secondo è che la pressione dell’idrogeno spingerà indietro contro il peso. Dato il tempo il gas raggiungerà l’equilibrio idrostatico, dove la pressione del gas è uguale al suo peso, a quel punto si ha una sfera stabile di idrogeno. Questo di per sé non è sufficiente per fare una stella. Se raccoglieste l’idrogeno di una massa di Saturno, quello che avreste sarebbe un pianeta delle dimensioni di Saturno, non una stella. La soluzione ovvia è semplicemente aggiungere più idrogeno, il che renderebbe il tuo pianeta sempre più grande. Alla fine la tua palla di gas crescerebbe fino a un pianeta di dimensioni di Giove, e tu continui ad aggiungere più idrogeno.
Dimensione del picco per un pianeta di tipo Giove.
Ma si scopre che succede qualcosa di interessante quando continui ad aggiungere più idrogeno al tuo pianeta. Più idrogeno hai, più massa hai, e questo significa più peso. Il gas viene schiacciato più forte e, di conseguenza, si comprime. Quindi se raddoppi la massa del tuo pianeta di dimensioni Saturno, non ottieni un pianeta due volte più grande di Saturno. Si ottiene un pianeta che è un po ‘ più grande di Saturno, ma con una densità più elevata. Ad esempio, Giove è più di tre volte la massa di Saturno, ma solo circa il 15% più grande. Tuttavia Giove ha una densità media circa il doppio di quella di Saturno.
Mentre continui ad aggiungere più massa, il tuo pianeta diventerà più grande fino a circa 3 masse di Giove. A quel punto, il peso della vostra sfera di idrogeno è così grande che l’aggiunta di più in realtà rende il pianeta più piccolo. Di conseguenza, un pianeta 10 volte la massa di Giove sarebbe circa la stessa dimensione di Giove stesso. Questo rappresenta una vera sfida per gli astronomi che studiano gli esopianeti. Solo perché un pianeta ha le dimensioni di Giove non significa che abbia una massa di Giove. Lo stesso vale per i pianeti più piccoli. Un pianeta” super-Terra “un po’ più grande della Terra potrebbe essere un pianeta roccioso o un piccolo pianeta simile a Nettuno a seconda di cosa è fatto.
Nane brune vs stelle. Credit: P. Marenfeld & NOAO / AURA / NSF
Una volta che la palla di idrogeno raggiunge circa 15 masse di Giove entra nel regime delle nane brune. L’aggiunta di più massa continua a renderla più piccola, ma a questo punto la temperatura del suo interno inizia a svolgere un ruolo significativo. Il nostro semplice modello di equilibrio idrostatico non è sufficiente. L’idrogeno al centro viene schiacciato così fortemente che si riscalda in modo significativo. Quindi, mentre una nana bruna ha all’incirca le stesse dimensioni di Giove, può essere più di 10 volte più calda. L’aggiunta di più massa continua a ridursi leggermente la nana bruna, ma arriva un punto in cui l’interno diventa così caldo che aumenta la pressione dell’idrogeno più velocemente di quanto il peso aggiunto possa spremere. Proprio come c’è una dimensione massima per un pianeta, c’è una dimensione minima per una nana bruna. Quella dimensione minima è circa l ‘ 80% di quella di Giove, a quel punto una nana bruna ha una temperatura di circa 2000 K. Una nana così bruna sembrerebbe una piccola stella fioca.
Dimensione vs massa per le stelle di sequenza principale.
Ma una vera stella è quella in cui la fusione nucleare avviene nel suo nucleo. La luce e il calore di una stella non sono dovuti alla contrazione gravitazionale, ma piuttosto alla creazione di energia fondendo l’idrogeno in elio. Questo inizia a verificarsi quando la tua palla di idrogeno raggiunge circa 90 masse di Giove, che per coincidenza è circa la stessa massa di una nana bruna di dimensioni minime. Ora che hai creato una stella, l’aggiunta di più idrogeno la rende più grande e più calda. Poiché le stelle fondono l’idrogeno nel loro nucleo, le loro dimensioni e densità cambiano nel tempo. Ma se consideriamo solo stelle di sequenza principale stabili, allora c’è una semplice relazione tra massa e dimensione. Quindi puoi decidere quanto idrogeno usare e calcolare la dimensione della tua stella.
Naturalmente questo è solo un semplice stelle ipotetiche. Le stelle reali non sono fatte esclusivamente di idrogeno e, a seconda della loro origine ed età, possono comportarsi in modo molto diverso rispetto alla nostra semplice stella. I dettagli saranno lasciati come un esercizio di compiti a casa per il lettore.