Il sole perde massa!

Siamo alla quarta puntata della rubrica dedicata alla nostra stella. Abbiamo iniziato a comprendere quanto il Sole, come tante altre stelle ad esso simili, sia un oggetto dinamico e complesso. E tra i fenomeni realtivi al sole va menzionato anche il fatto che la nostra stella perde costantemente massa. Vediamo insieme le caratteristiche di questo fenomeno

di Fabio Giannattasio

Nella ricca varietà di fenomeni che si verificano all’interno del sole e nella sua atmosfera, è necessario menzionare il fatto, non a tutti noto, che la nostra stella “dimagrisce” secondo dopo secondo. Ma cosa significa questo? Quanta massa perde il Sole ogni secondo?

Il Sole ha una massa di circa 2×10^30 (cioè 2 seguito da 30 zeri!) kg, che corrisponde a oltre 300 mila volte la massa della Terra. La massa del sole corrisponde a quasi il 99.9% di quella di tutto il Sistema Solare!

Questa enorme massa ogni secondo è erosa a causa sia di fenomeni di routine, che si verificano continuamente sul Sole (come la produzione di energia o l’accelerazione del vento solare), sia da fenomeni impulsivi, che si verificano quando si raggiungono le condizioni fisiche per innescarli (come ad esempio le CME e i flares). Entrambe le tipologie di fenomeni sono state introdotte nei precedenti post di questa rubrica.

Space.com

Stima della perdita di massa del sole dovuta ad eventi di routine

Vediamo di valutare quale sia la massa che il sole perde a causa dell’espulsione di particelle che sono quelle che vanno a castituire il vento solare.

Il vento solare è un flusso principalmente di protoni, elettroni e piccole percentuali di particelle alfa. Queste particelle vengono accelerate nella corona solare ad energie talmente elevate da permetter loro di sfuggire all’attrazione gravitazionale del Sole ed essere spinte nello spazio a velocità che possono arrivare a 750-800 km/s.

Le particelle del vento solare hanno massa. Questo vuol dire che nella loro fuga portano con sé un po’ di massa del Sole. Sappiamo inoltre che i protoni sono molto più massicci degli elettroni, ed hanno una massa 1836 volte maggiore di questi ultimi. Quindi la stragrande maggioranza della massa portata via dal vento solare è nei protoni. Con queste informazioni avremo una buona stima della massa persa ogni secondo dal Sole per via del vento solare calcolando la sola massa di protoni persa.

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Considerando la massa di un singolo protone moltiplicata per il flusso misurato da missioni satellitari (come ACE della NASA, lanciata nel 1997) e considerando le particelle soffiate in tutte le direzioni attorno al Sole, risulta che il sole perde poco più di un miliardo di Kg al secondo! Una dieta dimagrante piuttosto drastica!

Oltre alla perdita di massa dovuta all’espulsione di particelle del vento solare, sappiamo che il Sole emette luce, traendo l’energia dalle reazioni di fusioni termonucleari che avvengono nel suo interno.

Ma l’energia è legata alla massa, come ci ricorda la celeberrima equazione di Einstein E=mc^2, dove E è la quantità di energia associata alla massa m e c è la velocità della luce, che è pari a circa 300 mila km al secondo.

In altre parole, la quantità di energia che il Sole emette ogni secondo, cioè la sua luminosità, ha un corrispettivo in massa. Quindi anche l’emissione di luce comporta una perdita di massa da parte del sole.

E quant’è questa massa che il Sole perde solo perchè illumina le nostre giornate?

Partiamo ancora una volta dalle evidenze osservative. L’energia totale irradiata dal Sole ogni secondo in tutte le direzioni (la luminosità appunto) è di circa 3.8×10^26 (cioè 38 seguito da 25 zeri) W (Watt).

Quanto è la massa associata a questa energia?

Torniamo all’equazione di Einstein. E=mc^2. L’energia prodotta al secondo è uguale al prodotto tra la variazione di massa (cioè quanto diminuisce la massa al secondo) e il quadrato della velocità della luce (v).

Si ottiene che l’emissione di energia da parte del sole in forma di radiazione costa in termini di massa circa 4.22 miliardi di chilogrammi al secondo!

E ancora non è tutto! 

Dobbiamo anche considerare che nella produzione di energia che avviene nel nucleo della nostra stessa tramite la trasformazione di idrogeno ed elio, la radiazione non è il solo prodotto. Vengono infatti prodotte anche altre particelle. In particolare i neutrini, che sono talmente agili e veloci (la loro velocità è prossima a quella della luce) che tendono a sfuggire via senza incontrare/scontrare nulla, riuscendo a fuoriuscire indisturbati dal Sole e portando con sé la loro seppur piccolissima massa (meno di un milionesimo della massa degli elettroni).

Quindi considerando anche il contributo dei neutrini la produzione di energia costa al Sole circa 4.38 miliardi di chilogrammi al secondo!

Da quanto detto emergono due fatti:

1) il Sole perde più massa per via della produzione di energia che per via del vento solare (circa 2-3 volte di più);

2) sommando entrambi gli effetti il Sole nelle sue operazioni di routine perde circa 5.53 miliardi di Kg al secondo!

Ovviamente questo valore non considera le variazioni dovute, ad esempio, all’attività solare, né il fatto che il vento solare non è composto da soli protoni. Ci dà comunque un ordine di grandezza rispetto al quale tale variazioni rappresentano delle correzioni che non modificano in maniera radicale la sostanza. Anche eventi impulsivi, come ad esempio le CME, danno un contributo alla perdita di massa del Sole fino a circa il 10% di quello associato al vento solare.

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Tutta questa massa sembra spaventosamente grande! Ma quant’è effettivamente? E cosa dobbiamo aspettarci riguardo al suo impatto sulla vita del Sole?

Niente panico: anche se 5.53 miliardi di kg al secondo corrispondono a 1.74×10^17 Kg all’anno, questo numero rappresenta soltanto 0.0000000000087% della sua massa totale. 

Quindi ci vorrebbero circa 10 mila miliardi di anni prima che il Sole esaurisca la sua massa, ammesso che il ritmo di perdita di massa rimanga costante. Ma sappiamo che il Sole smetterà di bruciare idrogeno al suo interno tra circa 4.5 miliardi di anni. Di questo però parleremo nella prossima puntata…

Non c’è quindi nessuna conseguenza a breve termine per via della perdita di massa del Sole? 

In realtà una conseguenza interessante c’è ed è l’influenza che la massa del Sole ha sull’orbita terrestre. Secondo i principi della Fisica fondamentale, se il Sole perde massa l’orbita della Terra si espande in modo proporzionale. In altre parole, se il Sole in un anno perde lo 0.0000000000087% della sua massa, l’orbita terrestre si sposta verso l’esterno della stessa quantità.

Visto che la distanza media Sole-Terra è di circa 150 milioni di km, in un anno tale distanza aumenta di circa 1.3 cm. Nell’ipotesi che il ritmo di perdita di massa solare rimanga costante ci vorranno quasi 77 mila anni prima che l’orbita terrestre si sposti di 1 km. Ce ne vorranno 980 milioni prima che l’orbita si sposti di una lunghezza pari al diametro terrestre!     

quindi per adesso possiamo dormire sonni tranquilli: la nostra stella continuerà ad illuminare le nostre giornate per ancora molto molto tempo!