Oggetti strani nell’universo: i buchi neri

Quando nel 1905 Albert Einstein pubblicò la teoria della relatività, pochi riuscirono a visualizzare il grande impatto che questa teoria poteva avere sulla fisica e sulla comprensione dei fenomeni stellari. Questa teoria ha dato agli astronomi la possibilità di comprendere le scoperte che sarebbero state fatte nei decenni successivi. Una di queste scoperte era l’esistenza di buchi neri. I buchi neri, visti dalla prospettiva che ci dà la teoria della relatività e le teorie che ne derivano, ci mostrano una visione inquietante di un universo che ogni giorno ci sorprende di più, dove le cose non possono essere spiegate con il conoscenza che possediamo, perché là dentro, né la fisica né la matematica che conosciamo sono soddisfatte.

Solo sapere che le cose come le conosciamo non funzionano secondo la nostra logica, i buchi neri sono un fenomeno molto interessante. Possiamo immaginare di poter avere un movimento la cui distanza non può essere misurata? O forse immagina un disco compatto con cinque facce e che può essere allo stesso tempo bidimensionale? Cose strane come quelle che sono state menzionate sono quelle che provocano interesse nei buchi neri. Cosa succederà ai buchi neri  nell’universo? Come si comportano e che dimensioni hanno? Un buco nero finirà l’esistenza dell’universo come lo conosciamo? Queste domande frequenti e inquietanti cercheranno di essere risolte nelle righe seguenti e tenteranno di mostrare in modo semplice ciò che sappiamo sui buchi neri fino ad ora.

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Storia

Il concetto di un corpo così denso che la luce non poteva sfuggire era descritto in un articolo inviato alla Royal Society nel 1783 da un geologo inglese di nome John Michell. A quel tempo la teoria della gravitazione di Newton e il concetto di velocità di fuga erano ben noti. Michell calcolò che un corpo con un raggio di 500 volte quello del Sole e la stessa densità avrebbe sulla sua superficie una velocità di fuga uguale a quella della luce e sarebbe invisibile. Nel 1796, il matematico francese Pierre-Simon Laplace spiegò nelle prime due edizioni del suo libro Exposition du Systeme du Monde la stessa idea anche se, quando l’idea guadagnò terreno che la luce era un’onda senza massa, nel 19° secolo fu scartata nelle edizioni successive.

Nel 1915, Einstein sviluppò la relatività generale e ha dimostrato che la luce è stata influenzata dall’interazione gravitazionale. Pochi mesi dopo, Karl Schwarzschild trovò una soluzione alle equazioni di Einstein, in cui un corpo pesante assorbiva la luce. È ormai noto che il raggio di Schwarzschild è il raggio dell’orizzonte degli eventi di un buco nero che non ruota, ma a quel tempo non era ben compreso. Lo stesso Schwarzschild pensava che fosse solo una soluzione matematica , non fisica. Nel 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar dimostrò che un corpo con una massa critica , (ora noto come limite di Chandrasekhar) e che non emetteva radiazioni farebbe collassare sotto la propria gravità perché non c’era niente che potrebbe fermare esso era noto (per tale massa la forza di attrazione gravitazionale sarebbe maggiore di quella fornita dal principio di esclusione). Tuttavia, Eddington opponeva all’idea che la stella avrebbe raggiungere dimensioni pari a zero, il che implicherebbe una singolarità nuda di materia , e dovrebbe essere qualcosa che inevitabilmente mette freno al collasso, questa è la linea adottata dalla maggior parte degli scienziati.

Nel 1939, Robert Oppenheimer predisse che una stella massiccia poteva subire un collasso gravitazionale e pertanto in natura si potevano formare buchi neri . A questa teoria non è stata data molta attenzione fino agli anni ’60 perché, dopo la seconda guerra mondiale c’era più interesse per ciò che accadeva su scala atomica.

Nel 1967, Stephen Hawking e Roger Penrose dimostrarono che i buchi neri sono soluzioni delle equazioni di Einstein e che in certi casi non è possibile creare un buco nero da un collasso. L’idea di un buco nero acquistò forza con i progressi scientifici e sperimentali che portarono alla scoperta delle pulsar. Poco dopo, nel 1969, John Wheeler coniò il termine “buco nero” durante un incontro di cosmologia a New York, per designare quella che prima era chiamata “stella in completo collasso gravitazionale”.

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Concetto

I buchi neri sono una conseguenza della teoria della relatività generale di Einstein derivano da singolarità nei calcoli e  non hanno un comportamento prevedibile, solo la teoria della relatività può prevederne il comportamento. Ci potrebbero essere più buchi neri che stelle visibili nel nostro universo. I buchi neri si potrebbero essere formati da irregolarità nell’espansione del nostro universo o dal collasso gravitazionale di una stella molto massiccia.

Si tratta di corpi celesti con un campo gravitazionale così forte che persino la radiazione elettromagnetica non può sfuggire nelle sue vicinanze.

Un campo di queste caratteristiche può corrispondere a un corpo di alta densità con una massa relativamente piccola (come quella del Sole o inferiore) che è condensata in un volume molto più piccolo, o un corpo di bassa densità con una massa molto grande, come una collezione di milioni di stelle nel centro di una galassia.

È un “buco” perché le cose ci possono cadere, ma non uscirne, è nero perché neanche la luce non può sfuggire. Può anche essere descritto come un oggetto la cui velocità di fuga è maggiore della velocità della luce, essendo quest’ultima il limite di velocità più alto dell’universo.

Ogni buco nero è circondato da un confine chiamato orizzonte degli eventi , da cui non è possibile scappare. Qualsiasi evento che si verifica all’interno non è osservabile dall’esterno. L’astronomo Karl Schwarszchild mostrò che il raggio dell’orizzonte degli eventi corrisponde a circa 3 km per una massa come quella solare e questo raggio è chiamato il raggio di Schwarzschild. Questo raggio è un filtro unidirezionale, perché qualsiasi cosa può entrare, ma non uscire.

L’orizzonte degli eventi è formato dai percorsi, nello spazio- tempo , dai raggi di luce che non riescono a sfuggire. I raggi di luce che si trovano su questo confine si muoveranno eternamente, senza scontrarsi, poiché i due raggi di luce saranno assorbiti dal buco, quindi questi percorsi luminosi si muovono in parallelo. Non avvicinandosi l’un l’altro, l’orizzonte rimane costante o aumenta col tempo. Quando la materia cade nel buco nero, l’area dell’orizzonte degli eventi aumenta. Inoltre la massa di un corpo e il suo raggio di Schwarzschild sono direttamente proporzionali.

Inoltre, secondo la relatività generale, la massa gravitazionale modifica lo spazio-tempo in prossimità del buco.

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Un buco nero è un oggetto che ha tre proprietà: massa, spin e carica elettrica. Il materiale sagomato in un buco nero non è noto, in parte perché nascosta dal mondo esterno, e in parte perché, in teoria, continuano materiale collasso avere zero nota come punto singolarità della radio densità infinita.

In teoria, i buchi neri sono disponibili in tre dimensioni: mini-buchi neri, buchi neri medi e buchi neri super-massicci .

Nel 1971, Stephen Hawking disse che nella densa turbolenza creata dal Big Bang si formarono pressioni esterne che aiutarono la formazione di mini buchi neri. Questi sarebbero massicci come una montagna, ma piccoli come un protone; irradierebbero energia spontaneamente, e dopo miliardi di anni finirebbero con un’esplosione violenta.

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Formazione

I buchi neri sono formati da stelle morenti che dopo un processo naturale iniziano ad accumulare un’enorme concentrazione di massa in un raggio minimo in modo che la velocità di fuga di questa stella sia maggiore della velocità della luce. Da questo l’ex stella non permette a nulla di sfuggire al suo campo gravitazionale, nemmeno la luce può sfuggire a esso. Per comprendere con maggiore chiarezza quanto scritto in precedenza è conveniente studiare le fasi nella formazione di una stella.

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1. Formazione delle stelle

Una stella si forma quando una grande quantità di gas , principalmente idrogeno , inizia a collassare su se stesso a causa della sua attrazione gravitazionale. Mentre si contrae, i suoi atomi iniziano a scontrarsi, sempre più frequentemente e a velocità più elevate: il gas viene riscaldato. Nel corso del tempo, il gas sarà così caldo che quando gli atomi di idrogeno collidono non rimbalzeranno più, ma si scioglieranno in elio. Il calore rilasciato dalla reazione, che è come un’esplosione controllata di una bomba all’idrogeno, fa brillare la stella. Questo calore aggiuntivo aumenta anche la pressione del gas fino a quando è sufficiente per bilanciare l’attrazione gravitazionale e il gas smette di contrarsi. Assomiglia un po ‘a un pallone. C’è un equilibrio tra la pressione dell’aria all’interno, che cerca di far gonfiare il palloncino e la tensione della gomma, che cerca di diminuire le dimensioni del pallone. Le stelle rimarranno stabili in questa forma per un lungo periodo, con il calore delle reazioni nucleari che bilancia l’attrazione gravitazionale.

2. Collasso di una stella. Superficie di un buco nero.

Alla fine, comunque, la stella consumerà tutto il suo idrogeno e gli altri combustibili nucleari. Paradossalmente, più carburante iniziale ha una stella, prima si esaurisce. Questo perché più è massiccia la stella è più grande è la pressione di radiazione che contrasta l’attrazione gravitazionale.

Il nostro Sole probabilmente ha abbastanza carburante per altri cinque miliardi di anni, ma le stelle più massicce possono spendere tutto il loro combustibile in soli cento milioni di anni, molto meno dell’età dell’universo. Quando una stella esaurisce il carburante, inizia a raffreddarsi e quindi a contrarsi. Ciò che può accadere da quel momento in poi cominciò a essere compreso solo verso la fine degli anni venti.

Chandrasekhar ha indicato la dimensione massima che può raggiungere una stella prima di consumare tutto il suo combustibile naturale. Calcolò matematicamente che la massa critica di una stella sarebbe pari a 1,38 volte la massa del sole. Questa massa è chiamata il limite di Chandrasekhar, al di sotto di questo limite troviamo nane bianche e stelle di neutroni mentre al di sopra di questo limite la stella dovrebbe possedere un campo gravitazionale così forte che i raggi emessi dalla stella cominciano a irradiare in superficie (come un boomerang), gradualmente i raggi di luce vengono risucchiati verso la stessa stella da cui vengono emessi.

In questo istante viene creato il buco nero e la sua presenza può essere notata solo dall’emissione di raggi X che genera.

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Composizione

Un buco nero è composto da tre parti principali:

  • Orbita: È la parte esterna del buco nero. Dentro questa zona è presente tutta la materia che prima o poi verrà inghiottita dal buco nero. Questa materia ruota intorno al buco nero, ma a poco a poco si sposta più verso l’interno.
  • Orizzonte degli eventi: L’orizzonte degli eventi è come una valvola che può essere attraversata solo in una direzione. Una volta che viene attraversato non è possibile più uscirne. Neanche la luce può uscire fino alla singolarità, che è il punto finale. Se una massa desidera uscire dall’orizzonte degli eventi, avrebbe bisogno di un’accelerazione infinita, proibita dalle leggi della fisica.
  • Singolarità: La singolarità è la parte finale del buco nero. Qui, la curvatura dello spazio temporale è molto elevata e qui, il tempo e lo spazio si comprimerebbero a densità superiori a miliardi di tonnellate per centimetro cubo come nel nucleo delle pulsar.

Proprietà di un buco nero

Un buco nero è un oggetto che ha tre proprietà: massa, spin e carica elettrica. La forma del materiale in un buco nero non è nota, in parte perché è nascosta per l’universo esterno, e in parte perché, in teoria, il materiale continuerà a collassare finché non arriva a raggio zero, un punto noto come singolarità, di densità infinita.

Classificazione teorica

In teoria, i buchi neri sono classificati in tre tipologie: mini buchi neri, buchi neri medi e buchi neri super massicci.

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Secondo la sua origine, teoricamente ci possono essere almeno tre tipi di buchi neri:

a) Secondo la massa

  • Buchi neri supermassicci : con masse di diversi milioni di masse solari. Sarebbero al centro di molte galassie. Sono formati nello stesso processo che dà origine alle componenti sferiche delle galassie.
  • Buchi neri di massa stellare : si formano quando una stella di massa 2,5 volte maggiore di quella del Sole diventa una supernova e implode. Il suo nucleo è concentrato in un volume molto piccolo che sta diminuendo sempre più. Questo è il tipo di buchi neri postulati per la prima volta all’interno della teoria della relatività generale.
  • Micro buchi neri . Sono oggetti ipotetici, un po ‘più piccoli delle stelle. Se sono abbastanza piccoli, possono evaporare in un periodo relativamente breve mediante emissione di radiazioni Hawking. Questo tipo di entità fisiche è postulato in alcuni approcci della gravità quantistica, ma non possono essere generati da un processo convenzionale di collasso gravitazionale, che richiede masse superiori a quella del Sole.

b) Secondo le proprietà fisiche

Per un buco nero descritto dalle equazioni di Einstein, c’è un teorema – chiamato Hairless (inglese teorema di n-capelli), secondo cui qualsiasi oggetto che subisce collasso gravitazionale raggiunge uno stato stazionario come buco nero descritto da 3 soli parametri: massa M , la sua carica Q e il suo momento angolare J . Quindi abbiamo la seguente classificazione per lo stato finale di un buco nero:

  • Il buco nero più semplice possibile è il buco nero di Schwarzschild, che non ruota e non ha carica.
  • Se non gira ma ha una carica elettrica, ha il cosiddetto buco nero di Reissner-Nordstrøm.
  • Un buco nero rotante senza carica è un buco nero di Kerr.
  • Se ha anche carica, stiamo parlando di un buco nero di Kerr-Newman.

Come osservare un buco nero

I buchi neri hanno una grande massa, che produce una forza gravitazionale che attira gli oggetti vicini. La forza gravitazionale deve essere molto forte vicino ai buchi neri, e gli effetti nelle sue potrebbero essere visti. Il materiale che cade nel buco nero verrebbe schiacciato e riscaldato mentre cerca di introdursi nella piccola gola del buco nero generando raggi X. Il primo esempio di un buco nero fu scoperto proprio a causa di quell’effetto gravitazionale in una stella vicina nel 1971.

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Cygnus X-1 è il nome dato a una sorgente di raggi X nella costellazione del Cigno, scoperta nel 1962 con un primitivo telescopio a raggi X che fu inviato a bordo di un razzo. Nel 1971, la posizione della sorgente di raggi X nel cielo era stata misurata in modo più accurato, usando osservazioni di razzi satellitari.

Una svolta fondamentale arrivò nel marzo del 1971, quando una nuova sorgente di onde radio fu scoperta in Cygnus, vicino alla posizione della sorgente di raggi X. Il segnale radio variava esattamente nello stesso istante dell’emissione dei raggi X, forte evidenza che la sorgente radio e la sorgente di raggi X erano lo stesso oggetto. Una stella debole chiamata HDE 226868 appare nella posizione di questa sorgente radio.

Gli astronomi che hanno studiato la luce dell’HDE 226868 trovarono due aspetti importanti: (1) HDE 226868 è una stella blu super gigante – una stella normale e massiccia verso la fine della sua vita; e (2) la stella ruota intorno a un altro oggetto enorme in un’orbita con un periodo di 5,6 giorni. Conoscendo la forza necessaria per mantenere l’HDE 226868 in orbita, è possibile calcolare la massa del compagno, che è di circa 10 masse solari. Ma non ci sono segni visibili di luce emessa e qualcosa nell’oggetto produceva raggi X.

Ci+sono+stelle+decisamente+variabili+solo+perché+sono+così+vicine+che+si+scambiano+materia.+La+stella+più+pesante+esce+per+prima+dalla+Sequenza+Principale.+La+sua+massa+resta,+ed+attrae+materia+dalla+compagna,+la.jpg

La spiegazione o “modello” che meglio si adatta a questi fatti è che il compagno è un buco nero di circa 10 masse solari, il cadavere di una stella massiccia che era il compagno di HDE 226868. I raggi X sono prodotti a seconda della direzione del gas che cade sull’atmosfera supergigante verso l’oggetto compresso e riscaldato. L’oggetto collassato non può essere una nana bianca o una stella di neutroni, perché questi oggetti non possono avere masse maggiori di 1,44 e 3 masse solari, rispettivamente.

Non potremo mai “provare” direttamente questa teoria di Cygnus X-1 “vedendo” il buco nero, ma le prove indirette sono forti. Altri tre oggetti: LMC X-3 nella Greater Cloud of Magellan e A0620-00 e V404 Cygni nella nostra galassia, si ritiene abbiano anche loro dei buchi neri. Nonostante la difficoltà a scoprire i buchi neri, si stima con certezza che molte stelle nell’universo abbiano perso tutta la loro energia nel tempo e siano collassate. Forse il numero di buchi neri è più grande del numero di stelle visibili.

L’orizzonte degli eventi è formato dai percorsi nello spazio – tempo dei raggi di luce che non riescono a sfuggire. I raggi di luce che si trovano su questo confine si muovono eternamente, tuttavia non possono urtarsi tra loro perché i due raggi di luce verrebbero assorbiti dal buco, quindi i “percorsi luminosi” si muovono in parallelo, senza mai avvicinarsi l’un l’altro , l’orizzonte rimane quindi costante o aumenta nel tempo. Quando la materia cade nel buco nero, l’area dell’orizzonte degli eventi aumenta.

Buchi neri nella fisica attuale

I fenomeni fisici sono spiegati da due teorie che sono in qualche modo opposte e basate su principi incompatibili: la meccanica quantistica , che spiega la natura del “molto piccolo”, dove predominano il caos e le statistiche e ammette i casi di evoluzione della relatività temporale non deterministica e la relatività generale, che spiega la natura di “molto pesante” e che prevede in ogni momento la posizione esatta di un corpo, essendo questa teoria totalmente deterministica. Entrambe le teorie sono confermate sperimentalmente ma, quando si cerca di spiegare la natura di un buco nero, è necessario discernere se il quanto viene applicato perché è qualcosa di molto piccolo o relatività perché è molto pesante. È chiaro che finché non sarà disponibile una fisica più avanzata, non sarà possibile spiegare realmente la natura di questo fenomeno.

Recenti scoperte

Nel 1995 un team di ricercatori dell’UCLA guidato da Andrea Ghez ha dimostrato mediante simulazione al computer la possibilità dell’esistenza di buchi neri supermassicci nel nucleo delle galassie. Dopo questi calcoli attraverso il sistema di ottica adattiva è stato verificato che qualcosa deformasse i raggi di luce emessi dal centro della nostra galassia (la Via Lattea). Tale deformazione è dovuta ad un invisibile buco nero supermassiccio che è stato chiamato Sgr.A (o Sagittario A). Nel 2007-2008 ha avuto inizio una serie di esperimenti di interferometria da misurazioni di radiotelescopi per misurare la dimensione del buco nero supermassiccio nel centro della Via Lattea, che è calcolata una massa 4,5 milioni di volte maggiore di quella del Sole e una distanza di 26.000 anni luce ( circa 255.000 miliardi di km rispetto alla Terra). Il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia non è attualmente molto attivo poiché ha consumato gran parte della materia barionica, che si trova nell’area del suo campo gravitazionale immediato ed emette grandi quantità di radiazioni.

Da parte sua, l’astrofisico Feryal Özel ha spiegato alcune caratteristiche probabili attorno a un buco nero: qualsiasi cosa, compreso lo spazio vuoto, che entra nella forza di marea causata da un buco nero accelererebbe ad una velocità estrema come in un vortice e tutto il tempo all’interno dell’area di attrazione di un buco nero andrebbe verso lo stesso buco nero.

Attualmente si considera che, nonostante la concezione catastrofica che si ha dei buchi neri, quando si condensano intorno alla materia, servono in parte alla formazione delle galassie e di nuove stelle.

Nel giugno 2004, gli astronomi hanno scoperto un buco nero supermassiccio, Q0906 + 6930, al centro di una galassia lontana a circa 12.700 milioni di anni luce di distanza. Questa osservazione indicavano una rapida creazione di buchi neri supermassicci nel giovane universo.

La formazione di micro buchi neri negli acceleratori di particelle è stata segnalata, ma non confermata. Per ora, non ci sono candidati come buchi neri primordiali.

a) Il più vecchio buco nero

Lasciando da parte i buchi neri supermassivi che di solito sono nel nucleo delle galassie e la cui massa è milioni di volte il nostro Sole, il più grande buco nero di massa stellare conosciuto fino ad oggi, è stato scoperto nel 2007 ed è stato chiamato IC 10 X-1. È nella galassia nana IC 10 situata nella costellazione di Cassiopea, ad una distanza di 1,8 milioni di anni luce (17 miliardi di chilometri) dalla Terra, con una massa tra 24 e 33 volte quella del nostro Sole.

Successivamente, nell’aprile 2008, la rivista Nature ha pubblicato uno studio condotto presso l’ Università di Turku (Finlandia). Secondo questo studio, un team di scienziati guidato da Mauri Valtonen ha scoperto un sistema binario, un blazar, chiamato OJ 287, nella costellazione del Cancro. Tale sistema sembra essere costituito da un buco nero più piccolo che orbita intorno a uno più grande, essendo la massa del maggiore di 18.000 milioni di volte quella del nostro Sole, che lo rende il più grande buco nero conosciuto. Si presume che in ogni intervallo di rotazione il buco nero più piccolo, che ha una massa di 100 milioni di soli, colpisca l’ergosfera del maggiore due volte, generando un quasar. Situato a 3500 milioni di anni luce dalla Terra, è relativamente vicino alla Terra per essere un quasar.

b) Ii più piccolo buco nero

Senza contare i possibili micro buchi neri che sono quasi sempre effimeri se prodotti su scale subatomiche; macroscopicamente nell’aprile del 2008 il team coordinato da Nikolai Saposhnikov e Lev Titarchuk ha identificato il più piccolo dei buchi neri conosciuti fino ad oggi; È stato chiamato J 1650, si trova nella costellazione dell’Ara (o Altare) della Via Lattea (la stessa galassia di cui fa parte la Terra). J 1650 ha una massa equivalente a 3,8 soli e solo 24 km di diametro sarebbero stati formati dal collasso di una stella; tali dimensioni furono stabilite dalle equazioni di Einstein.

Conclusioni

L’esistenza dei buchi neri sono una conseguenza della teoria di Einstein, sebbene l’evidenza sia molto forte; se la relatività fosse errata, l’intera cosmologia dovrebbe essere riscritta.

I buchi neri sono formati da stelle morenti che dopo un processo naturale iniziano ad accumulare un’enorme concentrazione di massa in un raggio minimo in modo che la velocità di fuga di questa stella sia maggiore della velocità della luce.

Dopo lunghi decenni gli scienziati hanno pensato che i buchi neri non potessero emettere qualcosa, che assorbissero solamente e che nulla sfuggisse dal loro orizzonti degli eventi. Dopo queste ultime indagini si sa che questi fori spazio temporali emettono radiazioni come ogni corpo caldo e che la loro radiazione sia di raggi X e gamma, direttamente rilevabile da dispositivi collocati al di fuori dell’atmosfera.

Bibliografia

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