Che forma hanno i corpi celesti?

Alcuni astri: Saturno, Luna, Pan (luna di Saturno), nebulosa planetaria Elica, galassia a spirale M74, asteroide Ida, Terra, Altair, Giove.

Perchè i corpi celesti di grandi dimensioni assumono tutti la forma sferica? Esistono corpi celesti di grandi dimensioni, che non siano sferici?

Al di sotto di una certa massa i corpi celesti possono assumere forme anche irregolari come ad esempio l’asteroide Eros. grande 8 km e pesante solo 7×10^15 ¹² tonnellate

Gli oggetti celesti possono assumere forma anche bizzarre e irregolari, purchè siano abbastanza piccoli. Esiste però un limite oltre il quale ogni corpo tende per forza alla forma sferica: questo limite è dettato dalla massa di circa 10²¹kg (più o meno quella del pianeta nano Cerere).  Al di sopra di questo limite, infatti, la forza di gravità supera la forza di coesione delle strutture superficiali di maggiori dimensioni e qualunque prominenza significativa viene attirata verso il centro di gravità con una forza tale da distruggerla (ad esempio montagne troppo grandi sulla Terra sprofonderebbero).

Man mano che la massa aumenta, e con essa la forza di gravità superficiale, la forma del corpo celeste tende quindi ad essere sempre più sferica. Naturalmente ci saranno sempre piccole di uniformità perché la sfera è un’astrazione geometrica. Tuttavia è vero che i corpi celesti tenderanno ad assumere quella forma. I corpi celesti più sferici conosciuti sono le stelle di neutroni, oggetti compatti di 20 km di diametro la cui gravità superficiale supera di svariati milioni di miliardi di volte quella che sperimentiamo sulla Terra, e le cui montagne si stima possano alzarsi solo di pochi millimetri sul livello medio della stella.

Esistono però alcune eccezioni notevoli!

La forma reale della stella Altair fotografata con l’interferometro CHARA: la sua rotazione di appena 8,6 ore, inferiore a quella di qualsiasi pianeta del Sistema Solare

Un corpo tende alla forma sferica solo se non è in rotazione (o comunque se la rotazione provoca all’equatore una forza centrifuga molto minore della forza di gravità). Nel caso in cui invece la rotazione fosse abbastanza veloce, l’astro tenderà ad assumere la forma di un ellissoide oblato. Questo è il caso ad esempio di Saturno e di Giove e di molte stelle massicce di sequenza principale, le cosiddette “ruotatrici veloci” (fast rotators) come Vega, Altair, Fomalhaut, Regolo, Achernar.  Poichè praticamente tutti i corpi celesti sono in rotazione, presentano tutti un qualche grado di ellitticità. La Terra, ad esempio, possiede un’ellitticità di 1:298,257223563, che corrisponde ad una differenza tra il raggio equatoriale e il raggio polare di circa 21,385 km (0,335%), impercettibile dallo spazio; il Sole possiede un’ellitticità di 1:1000, la Luna di circa 1:900. Al contrario, Giove e Saturno possiedono un’ellitticità elevata, rispettivamente di 1:16 ed 1:10, tanto che risulta visibile già con un piccolo telescopio amatoriale.

Un’altra causa di deformazione della stella è la presenza di un compagno vicino: in questo caso il campo gravitazionale dei due astri non è più simmetrico rispetto a ciascun centro ma si allunga in direzione della stella compagna assumendo la forma di una “goccia”, il cosiddetto “lobo di Roche”, che domina i sistemi stellari binari molto stretti.
Infine una menzione agli oggetti più grandi dell’universo che hanno forme irregolari o comunque non precisamente sferiche: stelle gigantesche, nebulose, galassie, buchi neri rotanti.

La forma di una stella si deforma se è presente un’altra stella nelle vicinanze

– Supergiganti rosse come Betelgeuse e altre stelle di proporzioni immense possono avere una forma grossolanamente sferica ma con notevoli alterazioni superficiali dovute alla risalita convettiva di gas caldo che genera “cupole” di forma irregolare sulla loro superficie. La loro presenza è consentita dalla relativamente bassa forza di gravità di queste stelle che, pur avendo massa superiore a quella del Sole, sono talmente grandi che la gravità superficiale è centinaia di volte inferiore a quella terrestre.
– Per le nebulose vale lo stesso principio: benché si tratti di oggetti tenuti complessivamente insieme dalla gravità, sono talmente rarefatti da non essere nemmeno costituiti da materia continua, e da avere una gravità troppo bassa per “compattarle” in una forma sferica (verso la quale comunque, molto lentamente, tendono per contrazione gravitazionale)
– Le galassie sfoggiano forme assai varie grazie alla loro rotazione: se il loro movimento rotatorio globale fosse nullo, assumerebbero la forma di globi come avviene per le galassie ellittiche sferoidali e come avviene normalmente per gli ammassi globulari (tranne appunto quei rari che mostrano un momento angolare significativo, come M22)
– I buchi neri sono astri collassati indefinitamente sotto la propria attrazione gravitazionale: la materia al loro interno dovrebbe concentrarsi in una singolarità di aspetto puntiforme. Tuttavia nel nostro universo il momento angolare è una grandezza che si conserva e che una singolarità puntiforme (non avendo estensione) non potrebbe conservare. Pertanto si specula che la singolarità di un buco nero ruotante non avrebbe affatto l’aspetto di un punto bensì di una ciambella in rotazione su se stessa in modo da conservare il momento angolare che il materiale caduto all’interno del buco nero possedeva originariamente.

[ Paolo Colona]

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Fonti:
https://www.syfy.com/syfywire/no-supernova-for-you-betelgeuse-is-brightening-again-right-on-schedule
https://it.wikipedia.org/wiki/Ellitticit%C3%A0
https://en.wikipedia.org/wiki/Achernar
https://www.researchgate.net/publication/2172183_Solar_Oblateness_from_Archimedes_to_Dicke
https://socratic.org/questions/what-is-algol-paradox-and-its-resolution
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007Sci…317..342M/abstract