Le distorsioni dello spazio-tempo: i buchi neri

In fisica, un tunnel, noto anche come Einstein – Rosen, è una caratteristica ipotetica topologica dello spazio-tempo nelle equazioni della relatività generale, che ha dato un collegamento attraverso lo spazio e tempo.. Un wormhole ha almeno due estremità collegate a una sola gola , attraverso le quali la materia potrebbe muoversi. Ad oggi, non è stata trovata alcuna prova che lo spazio-tempo conosciuto contenga strutture di questo tipo, così che al momento è solo una possibilità teorica nella scienza.

Quando una stella supergigante rossa esplode, proietta la materia verso l’esterno, in modo che finisca per essere di dimensioni più ridotte e diventi una stella di neutroni . Ma può anche accadere che si comprime così tanto da assorbire la propria energia all’interno e scompare lasciando un buco nero nel posto occupato. Questo buco avrebbe una gravità così grande che nemmeno la radiazione elettromagnetica potrebbe sfuggire dall’interno. Sarebbe circondato da un bordo sferico, chiamato l’ orizzonte degli eventi . La luce avrebbe attraversato questo confine per entrare, ma non poteva lasciare, quindi il buco visto da grandi distanze dovrebbe essere completamente nero (anche se Stephen Hawking ipotizzò che alcuni effetti quantistici avrebbero generato la cosiddetta radiazione di Hawking). All’interno del buco, gli astrofisici congetturano che si forma una specie di cono senza fondo. Nel 1994, il telescopio spaziale Hubble rilevata la presenza di una fitta al centro della Galassia ellittica M87 , come l’elevata accelerazione del gas nella regione indica che ci deve essere un 3,5 mille milioni di volte più massiccio rispetto all’oggetto Sol . Infine, questo buco finirà per assorbire l’intera galassia. 

Il primo scienziato ad avvertire dell’esistenza di wormhole fu l’austriaco Ludwig Flamm , nel 1916 . In questo senso, l’ipotesi wormhole è un aggiornamento del XIX – secolo teoria di una quarta dimensione dello spazio rappresentato, ad esempio, come un corpo toroidale dove si poteva trovare tutte tre le dimensioni dello spazio comunemente percepibile, una quarta dimensione spaziale quelle distanze abbreviate e, in quel modo, i tempi di viaggio. Questa nozione iniziale fu sollevata più scientificamente nel 1921 dal matematico tedesco Hermann Weyl Tuttavia, non ha usato il termine “wormhole” (ha parlato di “uno – tubi dimensionali”), quando è legato la sua analisi della massa in termini di energia di un campo elettromagnetico con la teoria della relatività di Albert Einstein pubblicato nel 1916 .

Attualmente, la teoria delle stringhe ammette l’esistenza di più di tre dimensioni spaziali, ma queste dimensioni bonus sarebbe compattato in scale subatomiche (secondo per la teoria di Kaluza-Klein ), così sembra molto difficile (se non impossibile) approfittarne per intraprendere viaggi nello spazio e nel tempo.

 

Schema di un wormhole che tecnicamente consente di viaggiare nel tempo . Se una delle due estremità del ponte attraverso il quale la linea verde è in movimento, seguono il percorso rosso e ritornare il punto di partenza come in senso opposto Parkway potrebbe consentire di tornare indietro nel tempo, poiché lo spazio-tempo rappresentato contenere curve temporali chiuse . 

Tipi di wormhole 

  • wormhole dell’interuniverso connettono una posizione di un universo con un’altra posizione dello stesso universo in un momento diverso. Un wormhole dovrebbe essere in grado di collegare posizioni distanti nell’universo per pieghe spazio-temporali, in modo che possa viaggiare tra di loro in un tempo più breve di quanto ci vorrebbe per fare il viaggio attraverso lo spazio normale.
  • wormhole dell’interuniverso associano un universo con uno diverso e sono chiamati “wormholes di Schwarzschild”. Questo ci permette di ipotizzare se tali wormhole potrebbero essere utilizzati per viaggiare da un universo all’altro. Un’altra applicazione di un wormhole potrebbe essere il viaggio nel tempo. In tal caso, sarebbe una scorciatoia per spostarsi da un punto spazio-temporale ad un altro. Nella teoria delle stringhe , un wormhole è visto come la connessione tra due D-brane , dove le bocche sono associate alle brane e collegate da un tubo di flusso. Si ritiene che i wormhole siano una parte della schiuma quantica o spazio-temporale.

Un’altra classificazione:

  • Wormholes euclidei, studiato in fisica delle particelle.
  • I wormhole di Lorentz , studiati principalmente in relatività generale e gravità semiclassica. Tra questi ci sono i wormhole attraversabili , uno speciale tipo di wormhole di Lorentz che permetterebbe ad un essere umano di viaggiare da un lato all’altro del buco.

Finora è stato teorizzato su diversi tipi di wormhole, principalmente come soluzioni matematiche al problema. Essenzialmente, questi tipi di wormhole sono:

  • Il wormhole di Schwarzschild apparentemente formato da un buco nero di Schwarzschild , che è considerato impraticabile.
  • Il tunnel spaziale presumibilmente formato da un buco nero di Reissner-Nordstrøm o Kerr-Newman , sarebbe affascinante, ma in una sola direzione, e potrebbe contenere un wormhole di Schwarzschild.
  • Il wormhole di Lorentz , che ha una massa negativa e si stima che sia aperto in entrambe le direzioni (passato e futuro).

Vermi senza fine di Schwarzschild 

Schema di un wormhole di Schwarzschild.

Wormholes Lorentz noto come wormhole Schwarzschild o ponti Einstein-Rosen, sono collegamenti che collegano aree di spazio che può essere modellato come soluzioni per il vuoto nelle equazioni campo Einstein assemblando un modello di foro nero e un buco bianco . Questa soluzione fu trovata da Albert Einstein e dal suo socio Nathan Rosen , che per primi pubblicarono il risultato nel 1935 . Tuttavia, nel 1962 , John A. Wheeler e Robert W. Fuller Hanno pubblicato un articolo in cui hanno divulgato la dimostrazione che questo tipo di wormhole è instabile e si disintegrerebbe istantaneamente non appena si è formato.

Prima che i problemi di stabilità dei wormholes di Schwarzschild diventassero evidenti, fu proposto che i quasar potessero essere buchi bianchi, in modo che formassero le aree terminali dei wormhole di questo tipo. Tuttavia, ricerche recenti escludono che i quasar siano comparabili ai buchi bianchi .

I wormhole di Schwarzschild hanno ispirato Kip Thorne a immaginare il transito attraverso di loro tenendogli la gola e aprendoli per mezzo di materia esotica (di massa ed energia negative).

Fori per i vermi

Immagine di un wormhole praticabile (che può essere attraversato) 

I wormholes praticabili di Lorentz, detti anche attraversabili, permetterebbero di viaggiare non solo da una parte all’altra dell’universo , ma anche da un universo all’altro. I wormhole collegano due punti dello spaziotempo, quindi consentirebbero il viaggio nello spazio e nel tempo. Nella teoria della relatività generale, la possibilità di attraversare wormhole fu dimostrata per la prima volta da Kip S. Thorne e dal suo laureato Mike Morris in un articolo pubblicato nel 1988 . Il tipo di wormhole attraversato che hanno scoperto sarebbe stato tenuto aperto da un guscio sferico di materia esotica chiamato wormhole di Morris-Thorne.. Successivamente, sono stati scoperti altri tipi di wormhole attraversabili, come uno che è tenuto aperto da stringhe cosmiche , precedentemente ipotizzato da Matt Visser in un articolo pubblicato nel 1989.

Base teorica 

La definizione topologica del wormhole non è intuitiva. Si dice che in una regione compatta dello spaziotempo c’è un wormhole quando il suo bordo è insignificante dal punto di vista topologico, ma il suo interno non è semplicemente connesso . Formalizzare questa idea porta a definizioni come la seguente, presa da Lorentzian Wormholes, di Matt Visser :

Se uno spazio-tempo Lorentz contiene una regione compatta Ω e se la topologia Ω è della forma Ω ~ R x Σ, dove Σ è una topologia banale non 3-varietà, il cui bordo ha forma topologia dΣ ~ S² e se inoltre le ipersuperfici Σ sono di tipo spaziale , allora la regione Ω contiene un wormhole intrauniverso quasi permanente.

Caratterizzare i wormhole nell’interuniverso è più difficile. Ad esempio, possiamo immaginare un universo neonato collegato al suo genitore da un ombelico stretto. Si potrebbe considerare l’ombelico come la gola di un wormhole, con cui lo spaziotempo è collegato.

Plausibilità 

È noto che i wormhole di Lorentz sono possibili all’interno della relatività generale, ma la possibilità fisica di queste soluzioni è incerta. È persino sconosciuto se la teoria della gravità quantistica , ottenuta condensando la relatività generale con la meccanica quantistica, consentirebbe l’esistenza di questi fenomeni. Le soluzioni più conosciute di relatività generale che consentono l’esistenza di wormholes attraversati richiedono l’esistenza di corpi estranei , una sostanza teorica contenente energia di densità negativa. Tuttavia, non è stato provato matematicamente che questo è un requisito assoluto per questo tipo di wormhole attraversato, né è stato stabilito che la materia esotica non possa esistere.

Non è ancora noto empiricamente se ci sono wormhole. Una soluzione alle equazioni della relatività generale (come quella trovata da L. Flamm) che ha reso possibile l’esistenza di un wormhole senza il requisito di una materia esotica – una sostanza teorica che avrebbe una densità di energia negativa – non è stata ancora verificato. Molti fisici, incluso Stephen Hawking (con la sua congettura di protezione cronologica ), considerano questo a causa dei paradossi (o forse delle aporie?) Un viaggio nel tempo attraverso un wormhole implicherebbe che ci fosse qualcosa di fondamentale nelle leggi della fisica che impedisce tali fenomeni.

Nel marzo 2005 , Amos Ori ha visualizzato un wormhole che ha permesso di viaggiare nel tempo senza richiedere materia esotica e soddisfacendo tutte le condizioni energetiche. La stabilità di questa soluzione è incerta, quindi non è chiaro se sarebbe necessaria una precisione infinita perché si formi e permetta il viaggio nel tempo e se gli effetti quantistici proteggerebbero la sequenza temporale cronologica in questo caso.

Metrica di wormholes 

Le teorie sulle metriche del wormhole descrivono la geometria dello spazio-tempo di un wormhole e fungono da modelli teorici per il viaggio nel tempo. Un semplice esempio della metrica di un wormhole attraversato potrebbe essere il seguente:

Un tipo di metrica di wormhole non incrociata è la soluzione di Schwarzschild :

Fori senza fine e viaggi nel tempo

l’interpretazione artistica di un tunnel spaziale, come si dovrebbe essere visto da un osservatore che stava attraversando l’ orizzonte degli eventi di uno Schwarzschild wormhole , che è simile a un buco nero di Schwarzschild , ma con la particolarità di avere, al posto del regione in cui dovrebbe essere trovata la singolarità gravitazionale (nel caso del buco nero), un percorso instabile verso un buco bianco che esisterebbe in un altro universo. Questa regione è inaccessibile nel caso di un wormhole di Schwarzschild in quanto il ponte tra il buco nero e quello bianco collasserà sempre prima che l’osservatore abbia il tempo di attraversarlo. Vedi White Holes and Wormholes per una discussione e un’animazione più tecnica che rappresenta ciò che un osservatore guarderebbe attraverso un wormhole di Schwarzschild.

In teoria, un wormhole potrebbe consentire il viaggio nel tempo attraverso lo spazio-tempo. Ciò potrebbe essere fatto accelerando l’estremità finale di un wormhole ad una velocità relativamente alta rispetto alla sua altra estremità. Il ritardo risultato relativistica un verme buco bocca invecchiamento accelerato più lentamente della bocca stazionaria, visto da un osservatore esterno, simile a quello osservato nel paradosso dei gemelli. Tuttavia, il tempo passa diversamente attraverso il tunnel dall’esterno, orologi così sincronizzati in ogni bocca rimangono sincronizzati per qualcuno che viaggiano attraverso il tunnel, non importa quanto le bocche muovono. Ciò significa che tutto ciò che entra attraverso la bocca accelerata del wormhole potrebbe uscire attraverso la bocca stazionaria in un punto temporaneo prima della sua entrata se la dilatazione del tempo è stata sufficiente.

Ad esempio, supponiamo due orologi a entrambe le bocche Show 2000 prima di accelerare una delle bocche e, dopo l’accelerazione una delle bocche fin quasi alla velocità della luce, insieme entrambe le bocche quando la bocca ha accelerato l’orologio segna il 2017 e la bocca fermo segna l’anno 2013. in questo modo, un viaggiatore che è entrato nella bocca accelerato in questo momento è stato dato bocca ferma quando l’orologio segna anche l’anno 2013 nella stessa regione di spazio, ma cinque anni in passato Come una configurazione di tunnel spaziali permettono una particella della linea universo di spazio-tempo formano uno spazio-tempo circuito chiuso, noto come curva chiusa timelike. Il percorso attraverso un wormhole attraverso una curva chiusa del tipo temporale fa sì che un wormhole abbia caratteristiche temporanee del foro .

Si ritiene che sia praticamente impossibile convertire un wormhole in una “macchina del tempo” in questo modo. Alcune analisi utilizzando semi – approcci classici che incorporano effetti quantistici in relatività generale indicano che valutazioni di particelle virtuali circolare attraverso il tunnel con un’intensità continuo aumento distruggere prima che qualsiasi informazione potrebbe attraversare, secondo la quale postulati congettura di protezione cronologica . Questo è stato messo in discussione, suggerendo che la radiazione si disperderebbe dopo aver viaggiato attraverso il wormhole, impedendo così il suo infinito accumulo. Kip S. Thorne ha un dibattito a riguardo nel suo libro Buchi neri e tempo curvo ( Black Holes and Time Warps ). È stato anche descritto il cosiddetto Anello Romano , una configurazione formata da più di un wormhole. Questo anello sembra consentire una linea temporale chiusa con wormhole stabili quando viene analizzata sotto il prisma della gravità semiclassica, ma senza una teoria completa della gravità quantistica non è ancora noto se questa approssimazione semi classica sia applicabile in questo caso.

Viaggi a velocità superiore alla luce?

La relatività speciale ha solo applicazione localmente . I wormhole – se davvero esistessero – permetterebbero teoricamente il viaggio superluminale (più veloce della luce) assicurando che la velocità della luce non venga superata localmente in qualsiasi momento. Quando si viaggia attraverso un wormhole, le velocità sono subluminali (al di sotto della velocità della luce). Se due punti sono collegati da un wormhole, il tempo necessario per attraversarlo sarebbe inferiore al tempo necessario a un raggio di luce per effettuare il viaggio dall’esterno del wormhole. Tuttavia, un raggio di luce che attraversa il tunnel spaziale raggiungerebbe sempre il viaggiatore. Come un’analogia, girare intorno a una montagna sul lato opposto della massima velocità può richiedere più tempo di attraversare la montagna attraverso un tunnel a una velocità inferiore, poiché la rotta è più breve.

Subatomicamente si ipotizza l’esistenza di una schiuma quantistica o di schiuma spazio-tempo , avanzando con la congettura, si ipotizza la possibilità di esistenza di wormholes in esso, anche se esistessero sarebbe altamente instabile e solo potrebbe stabilizzarsi investire enormi quantità di energia (ad esempio con acceleratori di particelle giganti che possono creare un plasma di quark – gluoni).

Buco nero supermassiccio

Sopra: rappresentazione artistica di un buco nero supermassiccio che assorbe la materia da una stella vicina. Sotto: immagini di un supposto buco nero supermassiccio che divora una stella nella galassia RXJ 1242-11. A sinistra: ai raggi X; Der.: In luce visibile.  Un buco nero supermassiccio è un buco nero con una massa dell’ordine di milioni o decine di miliardi di masse solari.

Studi scientifici suggeriscono fortemente che la Via Lattea ha un buco nero supermassiccio nel centro galattico, chiamato Sagittario A * . Si ritiene che molte, se non tutte , le galassie ospitano un buco nero supermassiccio al suo centro. In effetti, una delle teorie più diffuse negli ultimi tempi è di supporre che tutte le galassie ellittiche e spirali abbiano al centro un buco nero supermassiccio, che genererebbe abbastanza gravità per mantenere l’unità.

Un buco nero supermassiccio ha alcune proprietà interessanti che lo differenziano dagli altri di massa minore:

  • La densità media di un buco nero supermassiccio può essere molto bassa, infatti può essere inferiore alla densità dell’acqua, se la sua massa è sufficientemente grande. Questo accade perché il raggio del buco nero aumenta linearmente con la massa, in modo che la densità decada con il quadrato della massa, mentre il volume è proporzionale al cubo del raggio di Schwarzschild in modo tale che la densità soddisfi la seguente proporzionalità :

dove  è la massa del sole e  la massa del buco nero supermassiccio. L’importo precedente è inferiore alla densità dell’acqua quando la massa supera il miliardo di volte della massa solare.
  • Le forze di marea nelle vicinanze dell’orizzonte degli eventi sono notevolmente più piccole. Poiché il centro della singolarità è lontano dall’orizzonte, un ipotetico astronauta che viaggia verso il centro del buco nero non subirebbe significative forze di marea fino a quando non penetra molto nel buco nero.

I buchi neri di queste dimensioni possono essere formati solo in due modi: da un lento assorbimento ( accrescimento ) della materia (da una dimensione stellare), o direttamente dalla pressione esterna nei primi momenti del Big Bang . Il primo metodo richiede un lungo periodo e grandi quantità di materia disponibile per la crescita del buco nero supermassiccio.

Le misurazioni Doppler della materia che circonda il nucleo delle galassie vicine alla Via Lattea, rivelano un movimento rotatorio molto rapido, che è possibile solo a causa di una grande concentrazione di materia al centro. Attualmente, l’unico oggetto conosciuto che può contenere abbastanza materia in uno spazio così piccolo è un buco nero.

Nelle galassie attive più distanti, si pensa che la larghezza delle linee spettrali sia correlata alla massa del buco nero che genera l’attività della galassia.

Si ipotizza che i buchi neri supermassicci al centro di molte galassie, agiscano da “motori” della stessa, causando i loro movimenti rotatori, come le galassie di Seyfert e i quasar . Si ritiene che il Sagittario A * sia il buco nero supermassiccio centrale della Via Lattea.

Storia della ricerca di buchi neri supermassicci

Donald Lynden-Bell e Martin Rees nel 1971 avanzarono l’ipotesi che il centro della Via Lattea potesse contenere un buco nero supermassiccio. Il Sagittario A * fu scoperto e nominato il 13 e il 15 febbraio 1974 dagli astronomi Bruce Balick e Robert Brown utilizzando l’ interferometro di base dell’Osservatorio Nazionale di Astronomia Radio.  È stata scoperta una sorgente radio che emette radiazione di sincrotrone ; È stato trovato per essere denso e immobile a causa della sua gravitazione. Questa è stata, quindi, la prima indicazione che c’è un buco nero supermassiccio nel centro della Via Lattea.

Concezione artistica di un buco e accrescimento del disco nero supermassiccio

L’origine dei buchi neri supermassicci rimane un campo di indagine aperto. Gli astrofisici concordano sul fatto che una volta che un buco nero si trova nel centro di una galassia, può crescere accrescendo la materia e fondendosi con altri buchi neri. Esistono, tuttavia, diverse ipotesi per i meccanismi di formazione e le masse iniziali dei progenitori, o “semi”, di buchi neri supermassicci.

  • L’ipotesi più ovvia è che i semi siano buchi neri di decine o forse centinaia di masse solari lasciate dalle esplosioni di stelle massicce e aumentino con l’accrescimento della materia.
  • Un altro modello consiste in una grande nube di gas nel periodo che precede la formazione delle prime stelle quando collassano in una “quasi-stella” e quindi in un buco nero in principio di circa ~ 20 M☉, e quindi, rapidamente, L’accrezione, relativamente rapidamente, diventa un buco nero di massa intermedia e probabilmente un SMBH (SuperMasive Black Hole) se il tasso di accrescimento non decada in masse più grandi. L’iniziale “quasistar” diventa instabile da perturbazioni radiali dovuti alla produzione di coppie elettrone-positrone nel suo nucleo, e può collassare direttamente in un buco nero senza supernova che espelle la maggior parte della sua massa lasciando un buco nero come residuo.
  • Tuttavia, un altro modello riguarda un ammasso stellare denso che collassa in un nucleo con una diminuzione della quantità di calore dal resto espulso dalla dispersione a velocità relativistiche.
  • Infine, i buchi neri primordiali possono essere stati prodotti direttamente dalla pressione esterna nei primi momenti dopo il Big Bang . La formazione di buchi neri dalla morte delle prime stelle è stata studiata e confermata ampiamente dalle osservazioni. Gli altri modelli per la formazione del buco nero sopra menzionati sono teorici.

 

Impressione della grande espulsione dal quasar SDSS J1106 + 1939

La difficoltà di formare un buco nero supermassiccio consiste nella necessità di materiale sufficiente per essere contenuto in un piccolo volume. Questo problema deve avere un momento angolare molto piccolo perché questo accada. Normalmente, il processo di accrescimento implica il trasporto di un ampio inviluppo iniziale di momento angolare verso l’esterno, e questo sembra essere il fattore limitante nella crescita del buco nero. Questa è una componente importante della teoria dei dischi di accrescimento. L’accrezione del gas è il modo più efficiente e anche più visibile in cui i buchi neri crescono. Si pensa che la maggior parte della crescita di massa dei buchi neri supermassicci avvenga attraverso episodi di rapido accrescimento di gas, che sono osservabili come nuclei galattici attivi o quasar . Le osservazioni rivelano che i quasar erano molto più frequenti quando l’Universo era più giovane, indicando che i buchi neri supermassicci si formarono e crebbero presto. Un importante fattore limitante per le teorie della formazione del buco nero supermassiccio è l’osservazione di quasar di luce lontani, che indicano che i buchi neri supermassicci di miliardi di masse solari si erano già formati quando l’universo aveva meno di un miliardo anni. Ciò suggerisce che i buchi neri supermassicci siano iniziati molto presto nell’Universo, all’interno delle prime massicce galassie.

Attualmente, sembra esserci una lacuna nella distribuzione della massa osservata di buchi neri. Ci sono buchi neri di massa stellare, generati da stelle che collassano, che arrivano fino a 33 M☉. Il buco nero supermassiccio minimo è nell’ordine di centinaia di migliaia di masse solari. Tra questi regimi sembra esserci una carenza di buchi neri di massa intermedia. Tale lacuna suggerirebbe qualitativamente diversi processi di formazione. Tuttavia, alcuni modelli suggeriscono che le sorgenti di raggi X ultraluminose (ULX) potrebbero essere buchi neri di questo gruppo mancante.

Misure dell’effetto Doppler

Vista laterale del buco nero con l’anello toroidale trasparente di materiale ionizzato secondo un modello proposto per Sgr A *. Questa immagine mostra il risultato della flessione della luce da dietro il buco nero, e mostra anche l’asimmetria che deriva dall’effetto Doppler della velocità orbitale estremamente elevata della materia nell’anello, che ruota da sinistra a destra nella parte anteriore.

Alcune delle migliori prove della presenza di buchi neri sono ciò che fornisce l’ effetto Doppler . Secondo questo effetto, la luce emessa dagli oggetti materiali che si allontanano da noi presenta il redshift , mentre gli oggetti che si avvicinano presenteranno uno spostamento blu . Quindi, per la materia che è molto vicina a un buco nero, la velocità orbitale deve essere paragonabile alla velocità della luce, la ragione per cui la materia che si allontana sembrerà molto debole rispetto alla materia che si avvicina, il che significa che i sistemi con dischi e anelli intrinsecamente simmetrici acquisiranno un aspetto visivo molto asimmetrico. Questo effetto è stato lasciato nelle moderne immagini generate al computer come l’esempio presentato qui, basato su un modello plausibile per il buco nero supermassiccio di Sgr A * al centro della nostra galassia. Tuttavia, la risoluzione fornita dalla tecnologia del telescopio attualmente disponibile è ancora insufficiente per confermare direttamente tali previsioni.

Ciò che è già stato osservato direttamente in molti sistemi è la bassa velocità non relativistica della materia che orbita più lontano di quanto dovrebbero essere i buchi neri. Misurazioni Direct Doppler di maser (abbreviazioni in inglese di Amplificazione di microonde per emissione  di radiazione) di acqua dalla materia che circonda i nuclei delle galassie vicine hanno rivelato un movimento kepleriano molto veloce che è possibile solo con un’alta concentrazione di materia al centro. Al momento, solo gli oggetti conosciuti che possono concentrare abbastanza materia in uno spazio così piccolo sono buchi neri, o cose che si evolveranno in buchi neri entro scale temporali astrofisicamente corte. Per galassie attive più distanti, la larghezza delle linee spettrali ampie può essere utilizzata per sondare il gas che orbita vicino all’orizzonte degli eventi. La tecnica della mappatura di riverbero usa la variabilità di queste linee per misurare la massa e forse la rotazione del buco nero delle galassie attive.

Si ritiene che la gravitazione di buchi neri supermassicci al centro di molte galassie alimenta oggetti attivi come le galassie e i quasar di Seyfert .

Una correlazione empirica tra la dimensione dei buchi neri supermassicci e la velocità di dispersione stellare σ di una lampadina galattica  è chiamata il rapporto M-sigma.

Nella Via Lattea 

Orbite inferite di 6 stelle attorno al supermassiccio candidato al buco nero Sagittario A * al centro della galassia della Via Lattea.

Gli astronomi sono sicuri che nella nostra galassia, la Via Lattea ha al centro un buco nero supermassiccio, a 26.000 anni luce dal Sistema Solare , in una regione chiamata Sagittario A * perché:

  1. Poiché il movimento della stella S2 , la massa dell’oggetto può essere stimato come 4,1 milioni di M☉ ,,  o circa 8.2 x 10 36   kg.
  2. La stella S2 segue un’orbita ellittica con un periodo di 15,2 anni e un pericentro (distanza ravvicinata ) di 17 ore di luce (1,8 × 10 13   mo 120 AU) dal centro dell’oggetto centrale. 
  3. Il raggio dell’oggetto centrale deve essere inferiore a 17 ore di luce, perché altrimenti S2 colliderebbe con esso. Infatti, le recenti osservazioni della stella S14  indicano che il raggio è inferiore a 6,25 ore di luce, paragonabile al diametro dell’orbita di Urano (5,31 ore di luce). D’altro canto, l’applicazione della formula per il raggio di Schwarzschild produce solo circa 41 secondi luce, il che è coerente con il fatto che la velocità di fugadeve essere, almeno, leggermente superiore alla velocità della luce; impossibile che faccia sorgere il buco nero.
  4. In questo volume di spazio, nessun oggetto astronomico noto diverso da un buco nero può contenere 4,1 milioni di M☉.

L’Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre e UCLA Centro Galattico Gruppo hanno fornito la prova più forte fino ad oggi che Sagittarius A * è il sito di un buco nero supermassiccio, sul database ESO Very Large Telescope e Telescopio Keck. 

Rilevazione di un’epidemia di raggi X insolitamente luminosa del Sagittario A *, un buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea

Il 5 gennaio 2015, la NASA ha riportato l’osservazione di una vampata a raggi X 400 volte più luminosa del solito, un record automatico, del Sagittario A *. L’evento insolito può essere causato dalla rottura parte di un asteroide cadere nel buco nero o il groviglio di linee di campo magnetico all’interno del flusso di gas in Sagittarius A *, come astronomi. 

Buchi neri rilevati al di fuori della Via Lattea

Esiste inequivocabilmente una prova dinamica di buchi neri supermassicci in solo una manciata di galassie; questi includono la Via Lattea, le galassie del Gruppo Locale M31 e M32, e un paio di galassie al di là del gruppo locale, per esempio, NGC 4395. In queste galassie, il valore quadratico medio (RMS o RMS) delle velocità del stelle o gas di scarico vicino al centro sono ~ 1 / r, indicando una massa puntiforme centrale. In altre galassie osservati finora, le velocità RMS sono piatte, o addirittura il declino verso il centro, quindi è impossibile da dire con certezza che un buco nero è presente.  Tuttavia è comunemente accettato che il centro di quasi ogni galassia contiene un buco nero supermassiccio. La ragione di questa ipotesi è l’M-sigma relazione bassa dispersione o stretta relazione tra le masse dei fori nelle ~ 10 galassie con riconoscimento sicuro, e la dispersione delle stelle dossi di queste galassie.  Questa correlazione, sebbene basata solo su una manciata di galassie, suggerisce che molti astronomi hanno una forte connessione tra la formazione del buco nero e la galassia stessa. 

  • La vicina galassia di Andromeda, a 2,5 milioni di anni luce di distanza, contiene un buco nero centrale con (1,1 a 2,3) x 10 ^ 8 (110-230 milioni) M☉, significativamente maggiore di quello della Via Lattea. .
  • Il più grande buco nero supermassiccio nelle vicinanze della Via Lattea sembra essere quello di M87, con un peso di (6,4 ± 0,5) x 10 ^ 9 (~ 6400 milioni) M☉ ad una distanza di 53,5 milioni di anni luce.
  • Il 5 dicembre 2011 gli astronomi hanno scoperto il più grande buco nero supermassiccio nel vicino universo ancora trovato, quello della galassia ellittica NGC supergiant 4889, che pesa 2,1 × 10 10 (21 000 milioni) M☉ ad una distanza di 336 milioni di anni luce nella costellazione della Chioma di Bernice.
  • Nel frattempo, la supergigante galassia ellittica al centro del Phoenix Cluster ospita un buco nero di 2,0 × 10 10 (20 miliardi) M☉ a una distanza di 5,7 milioni di anni luce. I buchi neri nei quasar sono molto più grandi, a causa del loro stato attivo di fase di crescita continua. Il quasar iperluminoso APM 08279 + 5255 ha un buco nero supermassiccio con una massa di 2,3 × 10 10 (23 000 milioni) di M☉. C’è un altro quasar S5 iperluminoso 0014 + 81 , il più grande buco nero supermassiccio finora trovato, del peso di 4,0 × 10 10(40 000 milioni) M☉, o 10.000 volte più grande del buco nero nel centro galattico della Via Lattea . Entrambi i quasar si trovano a 12.100 milioni di anni luce di distanza.
  • Alcune galassie, come la galassia 0402 + 379, sembrano avere due buchi neri supermassicci al centro, formando un sistema binario . Se si scontrassero, l’evento creerebbe forti onde gravitazionali. Si ritiene che i buchi neri supermassicci binari siano una conseguenza comune delle fusioni galattiche.
  • La coppia binaria nell’OD 287, a 3.500 milioni di anni luce di distanza, contiene il sistema di una coppia di buchi neri più enormi, con una massa stimata in 18.000 milioni di M☉.
  • Un buco nero supermassiccio è stato recentemente scoperto nella galassia nana Henize 2-10, che non ha sporgenti. Le implicazioni precise per questa scoperta sulla formazione di un buco nero sono sconosciute, ma possono indicare che i buchi neri si sono formati prima delle protrusioni.
  • Il 28 marzo 2011 è stato appreso che un buco nero supermassiccio ha colpito una stella relativamente vicina. Secondo gli astronomi, l’unica spiegazione coerente con le osservazioni di radiazione a raggi X improvvisa e tracciamento a banda larga è che la sorgente era un nucleo galattico precedentemente inattivo, e dallo studio dell’esplosione, si stima che il nucleo galattico sia un SMBH con una massa dell’ordine di un milione di masse solari. Questo raro evento dovrebbe essere un’emissione retativistica di materiale ad una frazione significativa della velocità della luce da una stella soggetta a forze di marea; emissione intercettata dal SMBH. Si ritiene che una parte importante della massa stellare abbia aumentato il SMBH. La successiva osservazione a lungo termine permetterà di sapere se, in questo caso non confermato,
  • Nel 2012, gli astronomi hanno riportato una massa insolitamente grande di circa 17 miliardi di M☉ per il buco nero supermassiccio nella galassia lenticolarecompatta NGC 1277 , che si trova a 220 milioni di anni luce di distanza nella costellazione di Perseo. Il cosiddetto buco nero supermassiccio ha circa il 59% della massa di rigonfiamento di questa galassia lenticolare (14% della massa stellare totale della galassia)
  • Un altro studio arrivò a una conclusione molto diversa: Questo buco nero non è particolarmente supermassiccio. È stimato tra 2.000 e 5.000 milioni di M☉ con 5.000 milioni di M☉ come il valore più probabile.
  • Il 28 febbraio 2013 gli astronomi hanno riferito di usare il satellite NuSTAR per misurare con precisione la rotazione di un buco nero supermassiccio, per la prima volta, in NGC 1365, riportando che l’orizzonte degli eventi stava ruotando quasi alla velocità del luce.
  • A settembre 2014, dati provenienti da diversi telescopi a raggi X hanno dimostrato che la galassia nana estremamente piccola, densa e ultracompatta M60-UCD1 ospita al centro un buco nero di 20 milioni di masse solari, che rappresentano oltre il 10% del totale massa totale della galassia. La scoperta è abbastanza sorprendente, dal momento che il buco nero è cinque volte più massiccio del buco nero della Via Lattea, nonostante il fatto che la galassia sia meno di cinque millesimi della massa della Via Lattea.
  • Alcune galassie, tuttavia, mancano di buchi neri supermassicci nei loro centri. Mentre la maggior parte delle galassie con buchi neri supermassicci sono molto piccole, nano, una delle cui scoperte galassie rimane un mistero: Il ellittica galassia supergigante cD A2261-BCG non è stato trovato che contiene un buco nero supermassiccio attiva, anche se La galassia è una delle più grandi galassie conosciute: dieci volte le dimensioni e mille volte la massa della Via Lattea. Un buco nero supermassiccio sarà rilevabile solo man mano che cresce. Un buco nero supermassiccio può essere quasi inosservabile, tranne che nei suoi effetti sulle orbite stellari.

Micro-buco nero

Un micro buco nero , chiamato anche buco nero della meccanica quantistica o buco nero , è un semplice buco nero , in cui gli effetti della meccanica quantistica giocano un ruolo importante. Secondo le conoscenze attuali, i buchi neri ordinari presumibilmente formati dal collasso gravitazionale sono oggetti di grandi dimensioni su 3 o 4 km. Date le dimensioni, ci si aspetta che gli effetti quantistici siano poco o nulla importanti, almeno nel processo di addestramento e nella prima parte del suo sviluppo quando la dimensione è ancora di alcuni chilometri.

Tuttavia, il caso dei microfori è diverso sotto questo aspetto, poiché la piccola massa di un micro-buco nero potrebbe essere dell’ordine della massa di Planck , che è approssimativamente 2 × 10 -8 kg o 1.1 × 10 19 GeV . A questa scala, la formula termodinamica del buco nero prevede che il buco nero potrebbe avere un’entropia di soli 4π nats ; una temperatura Hawking , che richiede energia termica quantica paragonabile alla massa dell’intero buco nero; e una lunghezza d’onda Compton equivalente al raggio di Schwarzschild del buco nero (questa distanza è equivalente alla lunghezza di Planck ). Questo è il punto in cui la classica descrizione gravitazionale dell’oggetto non è valida, probabilmente gli effetti quantistici della gravità sono molto importanti.

L’esistenza di buchi neri con questa massa è altamente speculativo, ma se i buchi neri primordiali esistono, potrebbe raggiungere lo stato di micro buco nero come la fine della “evaporazione”, a causa della radiazione di Hawking .

Secondo le stime delle teorie standard, l’energia richiesta per produrre micro buco nero è superiore di diversi ordini di grandezza che possono essere prodotti nella Terra su un acceleratore di particelle come il collider adronico Large (massimo circa 14 × 10 3 GeV), o da rilevare nelle collisioni di radiazioni cosmiche nella nostra atmosfera. Si stima che due collisione aggrega fermioni , entro una distanza di una lunghezza di Planck con corrente di intensità del campo magnetico ottenibile, potrebbe richiedere un acceleratore di particelle circa 1000 anni luce di diametro per mantenere gli aggregati in pista. Anche se fosse possibile, qualsiasi prodotto della collisione sarebbe immensamente instabile e si disintegrerebbe quasi istantaneamente.

Alcuni fisici teorici hanno suggerito che le molteplici dimensioni postulate dalla teoria delle stringhe potrebbero portare all’interazione gravitazionale . Ciò potrebbe ridurre efficacemente l’energia di Planck e rendere valide le descrizioni dei buchi neri anche con masse molto piccole. Ma questo è altamente speculativo. Altri teorici hanno pensato alle assunzioni di base del programma di gravità quantistica , dove c’è davvero un caso che costringe a credere nella radiazione di Hawking. Solo queste ipotesi quantistiche a guidare la crisi della massa di Planck: nella relatività generale classica, un buco nero potrebbe essere arbitrariamente piccolo in linea di principio.

Tutto ciò che si può dire con certezza è che la descrizione classica rendendo la relatività generale di un buco nero con inferiore alla massa della massa Planck è incoerente e incompleto, così questi oggetti può essere descritta solo nel contesto del gravità quantistica.

Possibilità di micro-fori neri artificiali

Quando viene avviato il primo collisore adronico grande (LHC) modo completamente funzionale (finora solo testato), è considerato probabile la prima creazione artificiale di micro buchi neri dalla collisione e fusione delle particelle subatomiche ( adroni ) accelerato a “quasi” la velocità c , così veloce il baryonic aumenta notevolmente la sua massa , che spiega la formazione di micro buco nero che tuttavia sarebbe effimero e sarebbe trovato ( in proporzione alla sua massa e gravità di tale massa) di abbastanza distanza da altri corpi materiali per crescere.

 

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