Le grandi domande della vita: Speciale astronomo risponde 2019

Ho cercato in tutti i modi di evitare di rispondere alle domande della rubrica de L'astronomo risponde su Edu INAF, ma in questo 2019 alla fine ben due articoli di questa rubrica sono usciti a mio nome, uno dedicato alla durata di un possibile viaggio interstellare e l'altro dedicato alla stella più grande. Andiamo con ordine e pariamo verso le stelle:

In viaggio verso Proxima Centauri b

La domanda è relativa al tempo che servirebbe per viaggiare verso una meta interstellare relativamente vicina a noi. Per questo prendiamo in considerazione Proxima Centauri, una nana rossa a circa 4.2 anni luce dalla Terra nella zona di cielo occupata dalla costellazione del Centauro. Intorno a questa stella si trova un pianeta extrasolare, Proxima Centauri b, la cui scoperta è stata annunciata dall'ESO nel 2016 e che si trova nella zona abitabile della stella. Tra l'altro il pianeta è già stato protagonista di un piccolo giochino matematico con le serie numeriche a metà strada tra Buzzati e la fantascienza. Ad ogni modo, per raggiungere la stella, viaggiando alla velocità della luce, $c$, ovvero 300000 km/s, impiegheremmo all'incirca 4 anni, 2 mesi e un paio di settimane.
Mentre viaggiamo verso Proxima Centauri il tempo sulla Terra trascorre in maniera differente rispetto a noi che siamo nell'astronave, come spiegava molto bene Carl Sagan nel libro Intelligent life in the universe⁽¹⁾. Per capire questa differenza di tempo ci viene in aiuto la relatività speciale di Albert Einstein. Uno dei risultati di tale teoria è che per un corpo in movimento il tempo si dilata, in sostanza si invecchia di meno rispetto a chi rimane fermo.
Per avere un'idea di tale differenza, supponiamo che la nostra astronave viaggi a una frazione della velocità della luce, diciamo $0.8 \, c$. Questo vuol dire che, per i nostri amici rimasti sulla Terra, la durata del nostro viaggio sarebbe all'incirca di 10 anni, 5 per l'andata e 5 per il ritorno. Per noi che restiamo sull'astronave, invece, il viaggio durerebbe all'incirca 6 anni, 3 per l'andata e 3 per il ritorno. Questa differenza è dovuta al rapporto tra il tempo proprio dell'astronauta, $t_{astronauta}$, e il tempo misurato sulla Terra, $t_{Terra}$, che alla velocità di $0.8 \, c$ è \[\frac{t_{astronauta}}{t_{Terra}} = 0.6\] La differenza reale tra i due tempi, però, sarebbe molto inferiore rispetto ai 4 anni calcolati con la sola relatività speciale, poiché si dovrebbero tenere conto anche degli effetti dovuti alle fasi di accelerazione e decelerazione dell'astronave.
Per l'esempio qui sopra, però, abbiamo considerato una velocità, per quanto altissima, ma comunque inferiore a quella della luce. Questo perché le leggi della relatività speciale rendono impossibile raggiungere tale velocità. Un'altra delle caratteristiche fondamentali della teoria di Einstein è che la massa non è più una proprietà assoluta di un corpo, ma è mutuamente convertibile con l'energia. La famosa formula $E=mc^2$ implica che se a un corpo che si muove a velocità prossime a quella della luce si fornisce energia, la sua velocità aumenterà molto poco, mentre a subire un effettivo incremento sarà la sua massa, tanto da raggiungere valori infiniti per velocità pari a $c$. Tale comportamento è stato verificato più volte sia negli esperimenti di fisica delle particelle, in particolare quelli condotti nei grandi acceleratori di particelle come l'LHC al CERN di Ginevra, sia durante le esplosioni delle bombe nucleari.
Ad ogni modo, il limite imposto dalla natura alla velocità massima raggiungibile nell'universo non vuol dire che non sarà possibile coprire le distanze cosmiche che ci separano da Proxima Centauri o da altre stelle distanti dotate di sistemi planetari, ma l'impresa tecnologica risulta ancora molto complicata e molto lontana nel tempo da raggiungere. Per ora possiamo solo accontentarci di film e romanzi di fantascienza, o delle ipotesi e dei progetti di scienziati e scrittori di fantascienza.

La stella più grande

L'universo è un posto decisamente molto grande e noi ci troviamo a ruotare intorno a una stella media per dimensioni. Per cui è più che legittimo chiedersi se abbiamo scoperto, in qualche angolo di universo più o meno lontano, quella che al momento potrebbe essere considerata come la stella più grande. Il viaggio per fornire una risposta, che lo dico subito non è proprio definitiva, inizia nel 1961 quando l'astrofisico giapponese Chūshirō Hayashi suggerì l'esistenza di un limite nelle dimensioni raggiungibili dalle stelle basato sull'equilibrio tra la forza di gravità e la pressione di radiazione del plasma di cui la stella è costituita⁽²⁾. Questo limite influenza l'evoluzione delle stelle e, basandoci sulle conoscenze in nostro possesso, pone un limite stringente sulla dimensione massima di una stella nella nostra galassia: non possono essere più grandi di circa 1500 volte il Sole.
Allo stato attuale delle nostre conoscenze la stella più grande all'interno della Via Lattea di cui siamo abbastanza sicuri delle dimensioni è VY Canis Majoris all'interno della costellazione del Cane Maggiore, con un raggio di circa 1420 ± 120 raggi solari⁽⁴⁾:

Si tratta di una ipergigante rossa, una stella di grande massa (circa 20 volte quella del Sole) che avete visto in una foto (via commons) ripresa dal telescopio spaziale Hubble circondata dalla nube di materia emessa dalla stessa.
Esistono, però, sempre nella nostra galassia, altre stelle con dimensioni che potrebbero essere superiori, ma su cui siamo meno sicuri a causa di errori di misura superiori. Ad esempio UY Scuti nella costellazione dello Scudo avrebbe un raggio di 1,708 ± 192 raggi solari⁽⁵⁾. Anche questa è una ipergigante rossa (la vedete qui sotto in una fotografata, sempre via commons, scattata dal Rutherford Observatory) e, come vediamo, il limite inferiore della stella sarebbe comunque maggiore del limite superiore di VY Canis Majoris. Ciò che rende incerto il record è il fatto che, secondo i dati rilasciati nel 2018 dal satellite Gaia, UY Scuti sarebbe molto più vicina della stima precedente, con conseguente riduzione del valore delle dimensioni stimate.

Nella grande nube di Magellano, invece, si trova WOH G64 la cui stime delle dimensioni oscillana tra i 1540 e i 2575 raggi solari⁽³⁾, che, anche nel caso di declassamento della UY Scuti, diventerebbe comunque la stella più grande dell'universo conosciuto nonostante l'incertezza nelle dimensioni.
Il motivo di tutte queste incertezze, però, è da ricercare in alcuni fattori che rendono la misura delle dimensioni delle stelle difficoltosa e variabile nel tempo: innanzitutto la distanza delle stelle non è nota con grande accuratezza; inoltre molte di queste stelle sono avvolte da dischi di polvere stellare; molte di queste stelle, poi, sono pulsanti, quindi il loro raggio risulta di difficile definizione. Infine molte stelle sono variabili nel tempo proprio a causa dell'evoluzione stellare e possono variare le loro dimensioni per tempi relativamente brevi a causa di esplosioni o altri eventi che ne aumentano momentaneamente l'estensione spaziale.
Ad ogni buon conto, per fornire anche un confronto con il nostro Sistema Solare, ricordo che l'orbita di Saturno oscilla tra i 1940 e i 2169 raggi solari.

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1. Libro edito in Italia nel 1980 dalla Feltrinelli ↩
2. C. Hayashi, R. Hoshi, Outer Envelope of Giant Stars with Surface Convection Zone, in Publications of the Astronomical Society of Japan, vol. 13, 1961, pp. 442–449 ↩
3. Levesque, Emily M; Massey, Philip; Plez, Bertrand; Olsen, Knut A. G (2009). The Physical Properties of the Red Supergiant WOH G64: The Largest Star Known?. Astronomical Journal. 137 (6): 4744 ↩
4. Wittkowski, M.; Hauschildt, P. H.; Arroyo-Torres, B.; Marcaide, J. M. (2012). Fundamental properties and atmospheric structure of the red supergiant VY Canis Majoris based on VLTI/AMBER spectro-interferometry. Astronomy & Astrophysics. 540: L12. ↩
5. Arroyo-Torres, B; Wittkowski, M; Marcaide, J. M; Hauschildt, P. H (2013). The atmospheric structure and fundamental parameters of the red supergiants AH Scorpii, UY Scuti, and KW Sagittarii. Astronomy & Astrophysics. 554 (A76): A76. ↩