Gigante rossa

Una gigante rossa è una stella gigante di massa piccola o intermedia nelle fasi finali della sua evoluzione. L’atmosfera di queste stelle è molto rarefatta ed estesa e la temperatura superficiale più bassa rispetto alle stelle che non hanno abbandonato la sequenza principale. Il loro colore varia dal giallo-arancio al rosso, il che le fa assegnare alle classi spettrali K e M. Sono giganti rosse anche le stelle di classe S e la maggior parte delle stelle al carbonio.

La stella gigante rossa più vicina è γ Crucis, ma la gigante arancione Arturo è talvolta descritta come una gigante rossa.

Caratteristiche fisiche

La giganti rosse sono caratterizzate da un raggio di decine o centinaia di volte più grande di quello del Sole. Il notevole aumento delle dimensioni produce una diminuzione della loro temperatura sicché assume un colore arancio-rosso. Malgrado la diminuzione di temperatura produca, secondo la legge di Stefan-Boltzmann, una riduzione della radiazione emessa per unità di superficie, le giganti rosse sono in genere molto più luminose del Sole a causa delle loro dimensioni e della grande superficie radiante.

Le stelle appartenenti al ramo delle giganti rosse sono di classe spettrale K o M, hanno una temperatura superficiale di 3000-4000 K, hanno un raggio 20-100 volte quello del Sole e sono da un centinaio a diverse centinaia di volte più luminose della nostra stella. Le stelle del ramo orizzontale sono in genere più calde di quelle del ramo delle giganti rosse, mentre quelle del ramo asintotico delle giganti sono circa una decina di volte più luminose rispetto a quelle del ramo delle giganti rosse, sebbene siano molto più rare.

Ramo asintotico delle giganti

Fra le stelle del ramo asintotico delle giganti, quelle di tipo C-N e C-R presentano grandi abbondanze di carbonio e altri metalli sulla superficie. Tali elementi sono convogliati in superficie tramite un processo chiamato dragaggio (in inglese dredge-up), consistente in moti convettivi che trasportano i prodotti della fusione dalle zone interne dell’astro alla superficie. Il primo dredge-up avviene quando la stella si trova nel ramo delle giganti rosse e fonde l’idrogeno in un guscio che circonda il nucleo inerte di elio, ma non causa la dominanza del carbonio in superficie, cosa che viene prodotta dal secondo e terzo dredge-up, che avvengono quando la stella si trova nel ramo asintotico delle giganti, durante la fase della fusione dell’elio intorno al nucleo inerte di carbonio.

I confini di una gigante rossa non sono definiti in modo preciso, contrariamente a quanto viene rappresentato in molte illustrazioni. A causa della bassa densità dei loro strati superficiali, queste stelle non possiedono fotosfere ben definite e non c’è alcun confine determinato fra le loro atmosfere e le loro corone. Le giganti rosse meno calde presentano spettri complessi con linee spettrali di molecole, maser e, a volte, emissioni.

Mentre il Sole possiede un grande numero di piccole celle convettive (i granuli solari), le fotosfere delle giganti, così come quelle delle supergiganti, hanno un numero limitato di grandi celle, responsabili di alcune delle variazioni che sono comuni in questi tipi di stelle.

Evoluzione

Le giganti rosse sono stelle di massa media o piccola (da circa 0,3 M_⊙ a circa 8 M_⊙) che hanno abbandonato la sequenza principale a causa dell’esaurimento dell’idrogeno nei loro nuclei. La permanenza all’interno della sequenza principale di una stella della massa del Sole è circa 10 miliardi di anni. Le stelle più massicce del Sole bruciano il loro combustibile nucleare molto più velocemente.

Stelle che non divengono giganti

Le stelle di massa molto piccola e le stelle con massa superiore a 8 M_⊙ non divengono mai giganti. Le stelle di massa inferiore a 0,35 M_⊙ sono completamente convettive e fondono lentamente l’idrogeno in elio rimescolando continuamente i prodotti delle reazioni nucleari su tutto il volume della stella finché, dopo centinaia di miliardi di anni, solo una piccola frazione della stella è composta da idrogeno. Durante questo lungo periodo, la temperatura e la luminosità della stella crescono, ma senza che la stella diventi mai una gigante. Quando l’idrogeno è esaurito, esse diventano nane bianche all’elio.

Le stelle molto massicce diventano delle supergiganti e si muovono lungo una traccia evolutiva orizzontale sul diagramma H-R, finché non diventano supergiganti rosse. Concludono la loro esistenza in supernovae di tipo II. Le stelle più massicce possono diventare direttamente delle stelle di Wolf-Rayet senza passare per la fase di gigante o supergigante.

Pianeti

Alcune decine di giganti rosse sono conosciute come aventi pianeti orbitanti. Fra queste, le giganti rosse di classe spettrale M HD 208527 e HD 220074 e le giganti di classe K Polluce, Alrai e ι Draconis.

Possibile abitabilità

Sebbene tradizionalmente si creda che l’evoluzione di una stella in gigante rossa renderebbe il suo sistema planetario, se presente, inabitabile, alcuni ricercatori hanno suggerito che, durante la fase di gigante rossa, una stella della massa del Sole potrebbe ospitare una zona abitabile alla distanza di 2 UA per più di un miliardo di anni e una zona abitabile di alcune centinaia di milioni di anni alla distanza di 5 UA, un tempo giudicato sufficiente perché la vita possa svilupparsi su un pianeta avente le condizioni adatte. Nella fase di fusione dell’elio, invece, la zona abitabile si sposterebbe a una distanza compresa fra 7 e 22 UA. Poiché questa fase durerebbe anch’essa centinaia di milioni di anni, la vita potrebbe nuovamente svilupparsi nella nuova zona.

Dimensioni dei pianeti

I pianeti giganti che orbitano intorno alle giganti rosse sono in genere più massicci di quelli che orbitano intorno a stelle di sequenza principale. Ci sono due spiegazioni possibili di questo fatto. La prima è che le stelle giganti attualmente esistenti sono in genere più massicce del Sole in quanto le stelle di tipo solare o aventi addirittura massa inferiore non hanno avuto ancora il tempo di evolvere in giganti rosse. Poiché in genere maggiormente massiccia è la stella, maggiormente massicci sono i pianeti che le orbitano intorno, questo spiegherebbe questa differenza di masse.

Tuttavia, la massa dei pianeti che orbitano intorno alle stelle giganti non sarebbe in correlazione con la massa delle stelle; ciò induce a pensare che i pianeti subiscano un processo di accrescimento durante la fase di gigante rossa della loro stella. Il responsabile di questo processo potrebbe essere il vento stellare che nelle stelle giganti diventa più cospicuo oppure la fuoriuscita della stella dal suo lobo di Roche durante la sua espansione, con conseguente cessione di materiale da parte della stella al pianeta.

Il destino del Sole

Si stima che il Sole raggiungerà lo stadio di gigante rossa tra circa 5 miliardi di anni, quando raggiungerà dimensioni da 20 (minimo) a 100 volte (massimo) maggiori di quelle attuali, prossime a 1,2 UA, tanto che la sua atmosfera esterna quasi certamente arriverà a inglobare Mercurio e Venere. Incerto è il destino del nostro pianeta, la Terra: essa potrebbe essere inglobata nella gigante rossa oppure potrebbe salvarsi poiché la perdita di massa da parte della nostra stella farebbe allargare la sua orbita, che slitterebbe conseguentemente sino a quasi 1,7 UA.

L’influenza sulle maree

Anche se questo allontanamento dal Sole si verificasse, la maggior parte della vita presente sulla Terra, se non la sua totalità, si estinguerebbe a causa del cospicuo aumento di radiazione proveniente dalla gigante. In ogni caso è stato speculato che anche se la Terra si allontanasse dalla gigante, essa produrrebbe sulla superficie della stella una “protuberanza mareale” che la seguirebbe nella sua orbita, rallentandola lentamente fino a farla decadere nella gigante.

Quest’ultima teoria potrebbe valere nel caso in cui per la Terra le maree e gli oceani continuassero ad esistere perfino dopo l’espansione della stella a gigante rossa, ma in pratica non avverrà per via della totale evaporazione degli oceani dovuti all’assenza di atmosfera ormai tutta sottratta dal vento solare della gigante rossa ed al forte calore sulla superficie in se dovuta al solo avvicinamento della superficie a guscio solare (a causa dell’espansione) che farà salire di molto le temperature in superficie.

Dopo circa due miliardi di anni passati nella fase di gigante rossa, il Sole espellerà gli strati più esterni. Esporrà il proprio nucleo e diverrà una nana bianca. Dunque sulla Terra, e gli altri pianeti più esterni, non ci sarà più luce sufficiente per sviluppare altre forme di vita.