19 giugno 2010

Circostanze che hanno permesso la vita (parte 2^)

Terza circostanza ‘fortunata’: il valore numerico delle costanti fisiche principali

In natura esistono delle costanti, quali la massa del protone 'mp' , la carica dell'elettrone 'e', la costante di gravitazione universale 'G', la costante di Planck 'h', la velocità della luce 'c' da cui dipendono altre 4 costanti adimensionali, il cui valore si è fissato nei primi istanti del Bing Bang e che regolano l’intensità delle 4 principali forze esistenti in natura: la costante gravitazionale g, la costante elettromagnetica a, la costante nucleare elettrodebole W e quella nucleare forte S. La struttura (dimensioni e massa) di ogni corpo esistente in natura dipende da queste costanti. Il  rapporto fra due di queste costanti esprime l'intensità relativa delle forze in questione, regolando il modo in cui, al variare della distanza di due corpi, sia preponderante l'una rispetto all'altra.
A tali costanti di natura sono associate importanti condizioni che determinano la 'possibilità' che, nella successiva evoluzione, l'universo prenda una strada piuttosto che un'altra; non tutte le strade, però, possono condurre a condizioni fisico-chimiche capaci di ospitare la vita, ma soltanto quelle comprese in intervalli numerici assai limitati.

Dopo circa 1 secondo dall'inizio del Big Bang infatti, i neutrini si staccarono dal resto della materia, "congelando" il rapporto fra protoni e neutroni, che fino quel momento era rimasto in equilibrio a cause delle continue trasformazioni p n. Tale rapporto dipende assai sensibilmente dalla modalità dell'espansione (dunque da g) e dall'interazione debole che regola il decadimento del neutrone (e quindi da W). Dalla specificità del rapporto g/W, e dunque da quella del rapporto fra numero totale di protoni e di neutroni, deriva una conseguenza essenziale ai fini della formazione di Elio (elio detto "cosmologico", cioè originatosi non nelle stelle, ma durante il Big Bang). Se quel rapporto fosse stato leggermente superiore, tutto l'Idrogeno (protoni) si sarebbe trasformato in nuclei di Elio, con conseguenze drammatiche e cioè impossibilità di avere acqua o composti dell'Idrogeno; se fosse stato invece leggermente inferiore non vi sarebbe stata alcuna percentuale di Elio cosmologico, con conseguenze negative sui tempi di evoluzione delle stelle, perché sarebbero divenuti incompatibilmente bassi rispetto a quelli richiesti per lo sviluppo della vita sui pianeti.

Il valore di g regolò inoltre  il tasso di espansione iniziale dell'universo: un suo valore anche di assai poco più alto avrebbe implicato il collasso quasi immediato dell'universo su se stesso, impedendo dunque qualsiasi successivo sviluppo, mentre un valore anche assai poco minore avrebbe impedito la successiva formazione di aggregazioni di massa, inibendo dunque la formazione di galassie e di stelle e anche di pianeti.

Ma anche il rapporto S/a si presenta abbastanza critico. Nell'interazione fra i protoni che compongono i nuclei degli atomi, la forza nucleare forte, pilotata da S, e quella elettromagnetica, pilotata da a, agiscono in senso opposto (rispettivamente attrattivo e repulsivo). Il loro equilibrio, con la prevalenza della forza nucleare forte nelle interazioni a cortissimo raggio, fa sì che possano esistere dei nuclei stabili, e quindi si possa originare una 'tavola periodica' degli elementi chimici come oggi la osserviamo: se a fosse stata appena un po' più grande, oppure S un po' più piccola, perfino i nuclei più leggeri non sarebbero stati stabili.

Nella formazione delle masse stellari dalle nubi di gas interstellare inoltre, perché queste giungessero ad essere delle stelle vere e proprie che irraggiano energia di fusione termonucleare, era necessario che la contrazione gravitazionale, che dà appunto luogo alla formazione delle stelle, venisse interrotta dall'innesco di reazioni nucleari. Ciò è potuto accadere solo grazie ad un favorevole rapporto fra il valore di g e le altre costanti fisiche coinvolte nel fenomeno del collasso gravitazionale, consentendo alla temperatura, in costante aumento durante la fase di contrazione, di oltrepassare la soglia necessaria perché le reazioni avessero luogo, e di farlo appena prima che il collasso stesso conduca la protostella verso un irreversibile equilibrio di gas degenere (come accade negli stati evolutivi finali delle nane bianche o delle stelle di neutroni). Se tale soglia di temperatura non fosse raggiunta appena in tempo, l'universo sarebbe popolato di innumerevoli stelle "mancate", ma di nessuna stella attiva dal punto di vista energetico.

Una altra delicata condizione riguarda i rapporti fra la costante di interazione gravitazionale g, quella di interazione elettromagnetica a ed il rapporto fra le masse del protone e dell'elettrone. I valori di tali costanti fanno sì che le fasi di formazione stellare conducano le protostelle a dare origine, nel diagramma Temperatura - Luminosità (noto come diagramma Hertzsprung-Russell) ad una sequenza ordinata di stelle nane (chiamata 'sequenza principale'), dalla quale esse cominceranno poi la loro evoluzione termonucleare ed energetica. Le medesime costanti determinano inoltre che tale sequenza risulti formata da stelle sia con equilibrio ‘radiativo’ che con equilibrio ‘convettivo’. Le prime, calde ed energetiche, evolvono più rapidamente e riforniscono il mezzo interstellare di elementi chimici pesanti (fra cui il carbonio, l'azoto e l'ossigeno) sintetizzati nel loro interno; le seconde, meno luminose e di vita più lunga, assicurano la possibilità che eventuali pianeti attorno ad esse abbiano a disposizione tempi sufficientemente lunghi. Attorno alle prime la vita non potrebbe formarsi a causa della loro superficie troppo calda e luminosa ma, senza quelle stelle, la vita non potrebbe originarsi neanche altrove, perché il mezzo interstellare non sarebbe rifornito con una chimica adeguata. In realtà, per arricchire lo spazio interstellare di elementi chimici indispensabili per dare origine a molecole biologiche, elementi che la formazione di nuove stelle e di nuovi pianeti troveranno poi disponibili, è necessario che nelle fasi finali dell'evoluzione stellare gli strati della stella ormai divenuta instabile vengano espulsi nello spazio e non collassino al suo interno: occorre cioè che in ogni galassia possano formarsi numerose supernovae. Ma affinché ciò avvenga, si impongono nuovi delicati vincoli numerici ai valori di g e di W.
(vai alla 3^ parte)
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