Questo articolo è stato inserito nella sezionde dell'archivio "Dall'atomo alle stelle"

 

La stella polare è per molti un punto di arrivo e per molti altri un punto di partenza. Stella che ha attirato da sempre l’uomo desideroso di orientarsi di notte. E’ giusto concedere alla stella polare solo questo ruolo puramente legato alle esigenze umane? Direi proprio di no.

Solo un punto luminoso

Immaginiamo di avere una bella trottola, come quelle di una volta. Facciamola girare e osserviamola. Ogni punto di essa ruota velocemente attorno a un “qualcosa”. Come possiamo definire questo “qualcosa”? Beh ci sono molti modi per farlo, ma il più esatto è dire che tutta la trottola ruota attorno al suo asse di rotazione, come illustrato nella Fig. 1. L’asse di rotazione è proprio quello che passa per il punto di contatto con il pavimento e il bastoncino superiore.

Se segniamo con un pennarello un punto qualsiasi della trottola, vediamo che esso percorre un cerchio perfetto attorno a questo asse immaginario. Il punto superiore del bastoncino, invece, rimane fermo, dato che si trova proprio sull’asse di rotazione. Dobbiamo, perciò, ammettere che quell’asse è veramente qualcosa di molto importante per la trottola.

Immaginiamo, ancora, di mettere una torcia elettrica sull’estremità superiore del bastoncino (difficile a farsi, ma facile a immaginarsi) e vediamo cosa fa la luce sul soffitto. Accidenti, sta ferma. Ossia, la macchiolina di luce rimane sempre nella stessa posizione. Se mettessimo la torcia in un altro qualsiasi punto della trottola ci accorgeremmo, invece, che la macchiolina descrive, sul soffitto, dei cerchi attorno al punto di prima, come mostrato in Fig. 2. Insomma, un metodo diverso per dire che l’asse di rotazione è proprio una direzione privilegiata.

Immaginiamo, adesso, che la trottola sia la nostra Terra. La linea retta che unisce il polo nord al polo sud è il suo asse di rotazione. Ciò vuol dire che ogni punto -e anche ogni uomo- gira attorno a quell’asse nel tempo di 24 ore. Se mettessimo la solita torcia elettrica al polo nord (dove resteremmo fermi), puntata nella direzione dell’asse di rotazione, e stendessimo un bel telo a una certa distanza sopra di lei (facendoci magari aiutare da un satellite artificiale) otterremmo un punto luminoso, che resterebbe fermo durante la rotazione della Terra. La stessa cosa che avevamo ottenuto con la trottola.

Facciamo adesso un foro nel telone, in corrispondenza esatta della macchiolina di luce, e guardiamo da quel foro verso il cielo stellato. Beh, niente… vediamo solo buio. C’era da aspettarselo. Al cielo stellato interessa ben poco cosa capiti sulla trottola-Terra. Tuttavia, abbiamo imparato una cosa fondamentale: l’asse di rotazione di un pianeta è una direzione fondamentale per il pianeta, ma è relativo solo e soltanto al pianeta. Se cambiassimo trottola, ossia pianeta, e lo facessimo girare attorno a un asse completamente diverso, otterremmo un altro punto sul telone e anche lui, molto probabilmente, non corrisponderebbe a niente nel cielo stellato e indicherebbe un punto diverso da quella della trottola-Terra. Ogni pianeta ha il suo punto favorito, che sta fermo durante la rotazione, ma al cielo di tutto ciò non importa proprio niente.

Peccato veramente, perché se potessimo segnare quel punto nel cielo avremmo un punto di riferimento magnifico, almeno per la Terra. Aspettate, aspettate, che fortuna! A poco meno di un grado dal quel punto così importante per noi, c’è una stella. Non l’avevamo vista subito dato che la sua luminosità non è grandissima e il cielo un po’ fosco. Sì, non è poi tanto luminosa, ma si vede abbastanza bene anche in una notte non proprio scura. Che bello, possiamo usare lei come indicatrice della direzione dell’asse polare della Terra. Chiamiamola subito stella polare, se lo merita proprio. Ovviamente, quella stella sarebbe una stella qualsiasi per gli abitanti di un altro pianeta, ma per noi ha il vantaggio di coincidere quasi perfettamente con l’ormai famoso punto luminoso dell’altrettanto famosa torcia elettrica.

Non sto certo a raccontarvi quanto sia stata utile nei secoli passati per i naviganti di terra e di mare: un segnale sempre uguale e sempre visibile di notte. Tutte le altre stelle sembrano inchinarsi a lei, descrivendo cerchi sempre più larghi a mano a mano che le si allontanano. Basterebbe fare una foto come quella di Fig. 3 per accorgersene.

Ogni pianeta ha una sua stella polare? Beh, quasi sicuramente no. O, almeno non sempre così luminosa e così vicina alla direzione dell’asse polare. Pensiamo comunque alla Terra e a noi. Partendo dalla stella polare, e conoscendo l’ora esatta del giorno, si possono trovare le stelle vicine anche se stanno girandole intorno e così via fino ad arrivare fino a quelle più lontane. Oggi, ci sono metodi ben più facili per localizzare le varie stelle del cielo, ma il fascino della polare rimane inalterato. Se non altro perché ci ricorda sempre che il nostro mondo sta girando come una trottola.

A questo punto, però, dobbiamo fermarci un attimo ed essere meno egoisti. Noi viviamo nell’emisfero nord e quindi la stella polare si vede sempre per tutta la notte. Ma chi vive nell’emisfero sud? Non la può vedere mai e il punto corrispondente alla direzione dell’asse di rotazione (dall’altra parte della trottola) dove va a finire nel cielo? I "sudisti" hanno anche loro una stella così vicina e luminosa? Purtroppo no. Sigma Octantis è la stella visibile ad occhio nudo più vicina alla direzione del polo sud, ma è troppo debole per essere presa come vero segno di orientamento.  Si preferisce, perciò, riferirsi alla piccola e brillante costellazione della Croce del Sud e poi prolungare di circa quattro volte e mezza la distanza tra due sue stelle, come mostrato in Fig. 4. Insomma, un procedimento ben più faticoso rispetto ai “fortunati” nordisti.

Questo fatto ci insegna un’altra cosa. La stella polare non solo è un indicatore casuale della direzione dell’asse di rotazione, relativo al nostro pianeta, ma non è assolutamente utilizzabile dagli abitanti dell’emisfero sud. Funziona solo per una metà del mondo.

Non basta ancora, però… la trottola Terra, come tutte le trottole che si rispettino, non riesce a girare in modo regolare per molto tempo. Anzi, lei non riesce proprio mai a farlo. Come mai? Beh, non è una sfera perfetta e il rigonfiamento equatoriale è attirato dal Sole e dalla Luna. Ne consegue che l’asse di rotazione non è fisso e immutabile, ma descrive un cono che ha un’ampiezza angolare di circa 23 gradi, proprio l’angolo tra orbita terrestre ed equatore. Per descrivere l’intero cono, l’asse di rotazione impiega circa 26 000 anni. Come ovvia conseguenza, il segnale luminoso che indica nel cielo la direzione dell’asse polare si muove di un moto circolare rispetto alle stelle, che possono considerarsi immobili. La Stella polare, quindi, è solo un indicatore momentaneo che non funzionava nel passato e  non funzionerà nel futuro. Tra qualche migliaio di anni, però, saremo ancora più fortunati: l’asse polare sarà diretto prima verso la luminosa stella Deneb e poi addirittura verso Vega, una delle più luminose del cielo settentrionale. Vediamo, nella Fig. 5, l’andamento del polo nord lungo la sfera celeste.

La Fig. 6 riposta invece la situazione per il polo sud. Notate che ho dovuto fare un’aggiunta dato che la Croce del Sud non è completamente inserita nel disegno originale.

Il comportamento è simile a quello di una vera trottola quando comincia a rallentare, per effetto di un non perfetto allineamento dell’asse di rotazione con la perpendicolare al tavolo e per l’attrito della punta contro il tavolo. Un gioco di forze che determina la lenta caduta dell’asse di rotazione verso il tavolo stesso. Per la Terra il processo è continuo e regolare e non si ferma mai (manca l’attrito), per la trottola è invece il segnale della sua inesorabile caduta finale. In ogni modo, viene chiamato moto di precessione.

Ricapitoliamo brevemente, dato che, parlando di trottole, abbiamo imparato varie cose:

1)      la direzione dell’asse polare è una grandezza fondamentale solo per gli abitanti della Terra, ma non ha nessun importanza nel contesto generale dell’Universo. Un punto di riferimento tutto nostro e niente di più.

2)      La direzione dell’asse polare coincide casualmente con la stella polare, tuttavia:

a)      non lo è per gli abitanti dell’emisfero sud, che devono escogitare un procedimento più complicato per trovare un indicatore della direzione dell’asse di rotazione terrestre. A loro la polare non serve praticamente a niente, anche perché non la possono vedere.

b)      La stella polare ha indicato e indicherà il polo nord, quasi esattamente, per un tempo abbastanza limitato, dato che l’asse di rotazione è obbligato a descrivere un cono di ampiezza pari a 23 gradi circa, in un periodo di “soli” 26 000 anni.

Insomma, parliamoci chiaro, l’importanza della stella polare sembra proprio un caso fortuito, temporaneo e locale. Una stella come tante, utile per un certo scopo e poi, via, di nuovo al rango di comparsa. Un punto luminoso da dove partire per fare altro e dimenticarsi di lui fino alla volta successiva. Tra qualche millennio nessuno la cercherà più…

Fortunatamente, l’Universo non ragiona così e tutte le sue creature sono importanti e hanno delle caratteristiche proprie e particolari. Ogni stella ha tantissime sorelle, spesso molto simili, ma tutte degne dello stesso rispetto. Anche la stella polare, ossia la stella alfa dell’Orsa Minore (α Ursa Minor).

 

Tre stelle e una “candela”

Innanzitutto, la stella polare non è una stella singola come il Sole, ma un sistema triplo. Chi domina è una supergigante gialla (α Ursa Minor A), 4,5 volte più massiccia della nostra stella, attorno a cui rivolvono due nane bianco-gialle. Una relativamente vicina (α Ursa Minor Ab) che compie un’orbita in circa 30 anni, l’altra molto più lontana (α Ursa Minor B), che impiega ben 42 000 anni a girare intorno alla sorella maggiore. Stelle nane per modo di dire, dato che entrambe hanno circa 1,3 volte la massa del Sole.

Grazie al telescopio spaziale Hubble è stato possibile “vedere” direttamente anche la compagna più vicina, quasi completamente immersa nella luce della sorella maggiore. Nessun problema a individuare, invece, la più lontana (Fig. 7). Le due stelle di massa poco più che solare si trovano ancora nella sequenza principale, mentre la più grande ne è già uscita. La sua massa ha sveltito, come sempre, l’andata in pensione.

Essa è in una fase estremamente interessante, sia per motivi “personali” sia per ciò che regala agli scienziati terrestri. Ha finito di bruciare l’idrogeno del nucleo e ha iniziato a utilizzare quello che lo circonda. E’ un momento di grande instabilità, un continuo tentativo di rimettere in marcia il motore a pieni giri. Sappiamo che non è facile e che la stella non riesce a nascondere il suo momento difficile: i problemi di gestione del motore arrivano fino alla superficie e l’oggetto celeste sembra respirare affannato: si dilata e si comprime a ritmo continuo e regolare. Tra non molto diventerà una super gigante ancora più grande e, infine, terminerà la sua breve vita come nana bianca, rilasciando gran parte della sua materia sotto forma di nebulosa planetaria.

Ciò che ho detto non è ancora del tutto sicuro. La stella polare potrebbe essere già nella fase “di ritorno”, dopo aver iniziato a bruciare l’elio del nucleo. In ogni modo, la situazione non cambia di molto. Potete vedere la situazione un po’ ambigua nella Fig. 8, che rappresenta il Diagramma HR.

Nel frattempo, però, la stella polare è diventata una stella variabile… e che variabile! E’ una cefeide, anzi la cefeide più luminosa del cielo. Chi ha già letto gli articoli scritti su questo straordinario gruppo di stelle conosce la loro importanza fondamentale per la misura delle distanze stellari e delle galassie abbastanza vicine.

Richiamiamo brevemente la loro caratteristica principale: il periodo di pulsazione della stella (che si manifesta come una continua variazione di luminosità, Fig. 9) è funzione della luminosità intrinseca della stella. In particolare, le variabili più luminose hanno periodi più lunghi. In altre parole, conoscendo il periodo di pulsazione, si risale immediatamente alla luminosità intrinseca. Conoscendo, ovviamente, anche la luminosità apparente (quella che si vede dalla Terra) si ottiene finalmente la distanza. Fantastico. Le cefeidi sono delle vere e proprie “candele standard” che rivelano la loro distanza.

Ovviamente, osservandone qualcuna in una galassia vicina, è immediato ricavare la distanza dell’intera galassia rispetto a noi. Le cefeidi sono state le prime a far diventare tridimensionale lo spazio al di fuori delle vicinanze del Sole. Oltretutto, alfa dell’Orsa Minore è relativamente vicina (circa 430 anni luce) ed è stata calcolata la sua distanza anche attraverso metodi trigonometrici (parallasse annua). In tal modo, essa è anche una stella che può calibrare sempre meglio la relazione periodo-luminosità delle cefeidi e permettere di migliorare sempre di più i risultati che esse ci forniscono sulle distanze dell’Universo vicino.

Direi che vi è abbastanza materiale per dire che la stella polare ha un interesse ben più generale di quello legato solo alla nostra difficoltà di orientarsi nel cielo. No, non è un punto luminoso, ma una creatura vivente, in una fase critica della sua breve vita, ma capace di fare un regalo eccezionale agli studiosi di astronomia.

La stella polare, però, va anche oltre: non si comporta in modo perfetto, dato che è un corpo vivente e non un automa. Il suo periodo di pulsazione (di circa quattro ore) è variato leggermente al passare del  tempo, così com'è variata l’ampiezza della pulsazione, che è andata diminuendo. Oggi sembra essersi fermata e aver invertito tendenza (Fig. 10). Queste piccole discordanze rispetto a una visione puramente teorica, fanno della stella polare un vera creatura con i suoi alti e bassi, le sue piccole crisi e i suoi tentativi di riscatto.

Non solo, però. Lo studio di queste piccole variazioni di periodo e luminosità, benché influenzi poco il suo valore di indicatrice di distanza, permette di capire  meglio i meccanismi che causano la pulsazione delle cefeidi. Si parla di elio ionizzato due volte, ossia di atomi di elio che hanno perso entrambi gli elettroni, e molte altre cose che ci porterebbero troppo dentro la scienza astrofisica. Pur avendo una massa gigantesca la stella polare ci permette di studiare quello che avviene a livello atomico e anche meno. Cosa si vuole di più da una supergigante gialla, una pensionata che lavora ancora al massimo?

A questo punto mi fermo, dato che ci sarebbe da scrivere un libro su una stella tripla, non certo famosa per le sue meravigliose caratteristiche fisiche. E’ ciò che capita sovente anche nella vita di tutti i giorni. Sono ben più osannate e celebrate le attricette, che non sanno far niente, ma che si “mostrano” ampiamente e ovunque, delle grandi attrici, che non nascondono il loro aspetto esteriore, naturalmente invecchiato, e che cercano di dare il massimo all’arte teatrale.  Così la polare è ben più celebre per la sua semplice e continua apparenza in cielo (e solo per metà del mondo) che per la sua vera importanza astronomica. Peccato… perché, come abbiamo visto, la sua vita è un’avventura affascinante e utilissima.

D’ora in poi, quando la guarderete o la userete meccanicamente, pensate a quello che rappresenta veramente nel teatro dell’Universo. Vi sembrerà molto, molto più bella, luminosa e importante. Anche la scienza astronomica può avere il suo inizio dalla celeberrima stella polare. Basta saperla guardare e catapultarsi nella sua favola meravigliosa.