Luce, vita, scienza

Cosa fa brillare il Sole?

La domanda, probabilmente vecchia come la storia della scienza, ha avuto una risposta meno di un secolo fa.

Inizialmente si pensava che il Sole bruciasse carbone. Peccato che se il se fosse fatto di carbone il fuoco durerebbe solo circa 1000 anni; e chiaramente non poteva essere così.

Newton riteneva che il calore solare derivasse dall'urto di comete, che allora si pensavano più grandi e massicce. Nei libri di Padre Secchi ci sono accurati calcoli della massa che le comete avrebbero dovuto avere per render conto del fenomeno, giungendo a dati irrealistici. 

Dopo le scoperte del '700 e '800 sulla fisica dei gas si iniziò a pensare che potesse essere causa della contrazione gravitazionale. Un gas compresso si riscalda, e se il Sole è fatto di gas questo per gravità tende a cadere verso il centro e aumentare la propria temperatura. Ineccepibile, ma sposta la data di nascita del Sole a 10 milioni di anni fa, e sulla Terra troviamo rocce databili a miliardi di anni addietro. Ancora troppo poco.

Ci vollero quindi la scoperta della radioattività e la rivoluzione della fisica atomica, nucleare e quantistica agli inizi del '900, perchè Hans Bethe formulasse (nel 1938) la prima attendibile teoria di come nel Sole quattro nuclei di idrogeno possono reagire per formare un nucleo di elio.

Come molti qui sanno, sono affascinato dal Sole: come oggetto di studio scientifico, come stella, come fonte di energia, e non ultimo come oggetto fotografico.

La cosa risale forse a quando, a dodici o tredici anni, lessi “Luce, Vita. Scienza” di Domenico Eugenio Ravalico.

La Scuola Editrice - III Edizione 1966 - pagine 253 - Numerosissime ill. in b/n n.t. e tavv. a col. f.t - rilegato in tela con titoli in oro al dorso e piatto - sovraccoperta illustrata
Luce, vita e scienza d'oggi
La luce e la vita nei mari
Energia della luce per il mondo delle macchine
La luce e il progresso della scienza
Luce, occhio e visione
Luci, atomi e stelle
La luce e il nostro atomico sole
La luce e l'universo
La luce e la creazione

Bene, un dato che credo di ricordare da quel fantastico libro è che ogni secondo il nostro Sole trasforma 564 milioni di tonnellate di idrogeno in 560 milioni di tonnellate di elio. La differenza, grazie all'equazione di Einstein dell'equivalenza fra massa ed energia, va in radiazione. Quattro milioni di tonnellate! E' tanto... ma siamo sicuri?

Mi è venuto in mente di rifare, così per gioco, i conti di Ravalico. Beh, non è stato facilissimo; per fortuna oggi c'è wiki (come facevamo, senza? Ah, già, le enciclopedie, le biblioteche...)

Il Sole riversa sulla Terra oltre un kW per metro quadro di superficie illuminata. Non è tutta luce visibile: ci sono anche infrarosso, ultravioletto, e un po' di raggi X. In totale, fanno 1361 W/m², misurati giusto fuori dell'atmosfera, mediati su tutto l'anno, e questo dato si chiama Costante Solare. Infatti è (quasi) costante.

La Terra gira attorno al Sole a una distanza media di circa 150 milioni di km. Quattroterzipigrecoerretre... no, quello è il volume... quattropigrecoerredue, e il volume della sfera con il raggio pari alla distanza media Terra-Sole è di 2,81E23 m².

Quindi il Sole emette 1361 W per ciascuno di tutti quei metri quadri... fanno 3,84E26 watt, che è la potenza complessiva emessa dalla nostra stella. Uh! Un sacco, davvero.

Adesso viene il bello. Dando retta ad Albert (E=mc², già vista da qualche parte?) 3,84E26 joule (watt per secondo) “pesano” 4,28 milioni di tonnellate. Ovvero, questa è la massa che devo trasformare in energia per ottenere l'emissione energetica del Sole, ogni secondo. Per dare un'idea, quando lo Space Shuttle andava in orbita solo un grammo del suo propellente si trasformava in energia; il resto, in fumo.

E allora, quanto idrogeno ci vuole per tener caldo il Sole?

La differenza di peso fra quattro protoni (quattro nuclei di idrogeno, gli elettroni sono lì in giro ma essenzialmente stanno a guardare) e una particella alfa (un nucleo di elio, due protoni e due neutroni) è dello 0,7 % circa, a favore dell'idrogeno. Risultato, ci vanno circa 610 milioni di tonnellate di idrogeno al secondo, che diventano 606 milioni di tonnellate di elio, per generare tutta l'energia che serve a scottarmi il naso quando vado a passeggiare in montagna. Che spreco... e questo da quattro miliardi di anni e mezzo, e per altri quattro miliardi di anni.

Non sono esattamente i numeri di Ravalico di 45 anni fa, ma insomma – stasera vado a dormire più tranquillo, mi sono tolto una curiosità. Spero che riposino bene anche i lettori del Tamburo – posso ragionevolmente garantirvi che domani mattina il Sole splenderà ancora, e che i conti tornano (abbastanza. Ma i neutrini? Boh...)

Poi, parlando con un amico, ci siamo chiesti quanto potrà andare avanti, il Sole, a quel ritmo. Beh, tanto: a spanne, immaginando che il consumo sia costante per tutta la vita (ipotesi semplicistica, lo so) e che lo bruci tutto (altrettanto improbabile) saltan fuori 75 miliardi di anni. Consideriamo anche che non tutta la massa è idrogeno, ma contiene anche un 25% di elio primordiale, derivato dal big-bang. 75 miliardi di anni sono tanto, anche perché si stima che il Sole abbia circa 4 miliardi di anni e mezzo, e che brucerà idrogeno (resterà nella sequenza principale, dicono gli astronomi) per almeno altri 4 miliardi di anni. Poi espellerà i gusci di gas esterni, emetterà quello che chiamiamo una nebulosa planetaria, e resterà una nana bianca. Quindi la maggior parte (sette ottavi?) dell'idrogeno presente all'inizio non viene bruciato, ma ritorna nello spazio dove potrà dare origine a nuove stelle. Aveva ragione Lavoisier, nulla si crea o si distrugge, ma tutto si trasforma; e, nel cosmo, molto si ricicla.

Per finire, ecco un resto di supernova; la nebulosa "Velo del Cigno" è ciò che rimane quando una stella (decisamente più grande del Sole, a dire il vero) finisce esplosivamente la propria esistenza. I gas e le polveri emessi dalla supernova esplosa contengono ossigeno, idrogeno e zolfo, e risplendono ancora dopo migliaia di anni dall'esplosione. Immagine ripresa da Caprauna dal sottoscritto, due settimane fa. Dalla mia pagina G+ potete scaricarla in risoluzione più alta, se la usate come sfondo del desktop non me la prendo mica ;-)