Il limite di Chandrasekhar: la massa in grado di innescare un'esplosione stellare colossale

Non molto tempo fa parlavamo di come si formano gli elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio all’interno dei nuclei delle stelle, fino ad arrivare al ferro. Proprio nel momento in cui il combustibile si esaurisce, la gravità prende il sopravvento e inizia il collasso stellare.

Poiché non avvengono più reazioni nucleari, ciò che resta della stella comincia a comprimersi sotto l’effetto della gravità, provocando un aumento della densità e della temperatura che arresta il collasso fino a un certo punto: nasce così una nana bianca.

Tuttavia, oltre una determinata soglia, questa pressione non è più sufficiente a sostenere l’intero peso dell’astro. Fu Subrahmanyan Chandrasekhar a dimostrare che la massa massima che una nana bianca può sostenere è pari a 1,4 volte la massa del Sole. Oltre questo valore, la struttura non può più rimanere stabile.

Generalmente questo accade nei sistemi binari composti da una nana bianca e una stella normale. Quando il materiale della stella compagna riempie quello che viene chiamato lobo di Roche e la nana bianca supera il valore di 1,4 masse solari, si verifica una colossale esplosione stellare nota come supernova di tipo Ia.

Un limite e un destino

Il valore calcolato da Chandrasekhar deriva dall’equilibrio tra relatività speciale, meccanica quantistica e gravità classica. In sostanza, rappresenta il punto in cui gli elettroni non sono più in grado di fornire la pressione necessaria a contrastare il collasso gravitazionale.

Quando una nana bianca si avvicina a questo limite, la sua struttura interna cambia profondamente: gli elettroni iniziano a muoversi a velocità relativistiche, rendendo l’oggetto ancora più compatto. Di conseguenza, anche piccole variazioni di massa rendono l’equilibrio estremamente fragile.

Se la massa rimane al di sotto di questo valore, la nana bianca può esistere per miliardi di anni, raffreddandosi lentamente. Ma nel momento in cui il limite viene superato, il collasso diventa quasi istantaneo e, a seconda delle condizioni iniziali, le reazioni nucleari possono generare un’esplosione visibile a miliardi di anni luce di distanza.

Sebbene sia stato calcolato quasi un secolo fa, questo limite continua a essere una delle pietre miliari dell’astrofisica moderna, poiché rappresenta uno dei pochi risultati capaci di collegare la fisica del mondo microscopico con alcuni degli eventi più spettacolari osservabili nell’Universo.

Le supernove di tipo Ia

Quando in un sistema binario la nana bianca accresce materiale dalla compagna e riempie il cosiddetto lobo di Roche, il limite di Chandrasekhar viene generalmente superato. In quel momento si innesca una reazione termonucleare che distrugge completamente la stella.

A differenza di altre tipologie di supernova, in queste esplosioni non rimane alcun residuo compatto al centro. La nana bianca si disintegra completamente, liberando una quantità di energia molto uniforme, proprio perché tutte queste esplosioni avvengono quando viene raggiunto lo stesso valore critico di massa.

Questa uniformità consente di utilizzarle come vere e proprie “candele standard”, poiché conosciamo la loro luminosità intrinseca indipendentemente dalla distanza. Ciò permette di calcolare le distanze cosmiche con grande precisione, anche su scale galattiche ed extragalattiche.

Proprio grazie a questa proprietà è stato possibile scoprire e misurare l’accelerazione dell’espansione dell’Universo, aprendo la strada a una delle più grandi questioni irrisolte dell’astrofisica moderna: l’energia oscura. Risolta una domanda, ne è emersa immediatamente un’altra, a dimostrazione di quanto l’Universo continui a custodire i suoi segreti.

Dal collasso stellare all’energia oscura

In cosmologia si utilizza la costante di Hubble per descrivere la velocità di espansione dell’Universo. Per misurarla è indispensabile disporre di distanze affidabili, ed è per questo che le supernove di tipo Ia rappresentano uno degli strumenti più precisi a disposizione degli astronomi.

Le attuali tensioni nelle misure della costante di Hubble hanno riportato queste esplosioni al centro dell’attenzione scientifica, spingendo i ricercatori a perfezionare i modelli relativi alle stelle progenitrici, alle masse critiche e alle possibili deviazioni dal limite classico di Chandrasekhar.

Per questo motivo, ben lontano dall’essere un semplice concetto teorico, il limite di Chandrasekhar governa fenomeni che aiutano ad ampliare la nostra comprensione dell’origine, dell’evoluzione e del destino dell’Universo, nonché della sua espansione e del suo futuro.

Tutto ciò finisce per influenzare una delle domande più profonde della cosmologia: quanto è grande l’Universo e come si evolverà nel tempo? Una questione ben più complessa di qualsiasi pronostico calcistico.