I buchi neri

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Descrizione

n astrofisica per buco nero si intende un oggetto celeste che esercita un'attrazione gravitazionale così intensa da impedire alla materia e anche alla luce di allontanarsi da esso: in questo senso, non emette luce ed è quindi nero. In un buco nero. la materia è estremamente addensata in una regione di spazio relativamente piccola, tanto che, in teoria, la sua massa può essere considerata riunita in un punto. Un buco nero. è caratterizzato da una superficie immaginaria il cui raggio è direttamente proporzionale alla massa; un buco nero. di massa pari a quella del Sole avrebbe un raggio di 3 km, mentre per una massa pari a quella della Terra il raggio sarebbe di solo 1 cm.

Tipologia

Superiori

Testo completo

In astrofisica per buco nero si intende un oggetto celeste che esercita un'attrazione gravitazionale così intensa da impedire alla materia e anche alla luce di allontanarsi da esso: in questo senso, non emette luce ed è quindi nero. In un buco nero. la materia è estremamente addensata in una regione di spazio relativamente piccola, tanto che, in teoria, la sua massa può essere considerata riunita in un punto. Un buco nero. è caratterizzato da una superficie immaginaria il cui raggio è direttamente proporzionale alla massa; un buco nero. di massa pari a quella del Sole avrebbe un raggio di 3 km, mentre per una massa pari a quella della Terra il raggio sarebbe di solo 1 cm.
Formazione di un buco nero: Può avvenire in seguito all'esplosione di una stella di grande massa (supernova):la parte centrale della stella subisce un violento collasso gravitazionale e, se la sua massa è almeno tre volte quella solare, il collasso comprime la materia indefinitamente, generando il buco nero che successivamente può catturare altra materia e aumentare così la propria massa fino a valori di milioni di volte quella del Sole; prima di cadere nel buco nero., la materia gli ruota attorno muovendosi a spirale e formando un disco di accrescimento.
Osservazione di buchi neri: Poiché non emettono radiazioni, i buchi neri non possono essere osservati direttamente. E' però possibile rilevare le radiazioni (soprattutto raggi X) emesse dal gas molto caldo del disco di accrescimento. Questo accade, per esempio, nei sistemi binari in cui una delle stelle è un buco nero se esso sottrae gas alla stella compagna. Si ritiene che i fenomeni energetici osservati nelle galassie con nucleo attivo dipendano da quanto avviene nel disco di accrescimento di un buco nero estremamente massiccio posto nel loro centro.
Singolarità : Stando alla relatività generale, in certe condizioni estreme alcune regioni dello spazio-tempo acquistano una curvatura infinitamente grande e diventano singolarità: qui le usuali leggi fisiche cessano di valere. Nei buchi neri, per esempio, dovrebbero esservi singolarità nascoste dietro l'orizzonte degli eventi.
 
Si immagini una regione dello spazio nella quale la forza gravitazionale attrattiva è cosi intensa che i raggi luminosi a cui capiti di passare troppo vicino vengono deviati secondo una traiettoria circolare una regione da cui la materia, la radiazione o qualunque tipo di comunicazione non può mai fuggire. Questa regione, chiamata buco nero, è uno dei fenomeni più entusiasmanti della fisica teorica e forse l'oggetto più bizzarro dello spazio. Sebbene essi fossero implicitamente previsti dalla teoria della gravitazione di Einstein del 1915, cioè dalla relatività generale, i buchi neri furono "scoperti' teoricamente per la prima volta da Oppenheimer e Snyder nel 1939.
Però, a causa delle loro proprietà pochissimo intuitive, i buchi neri non furono presi in seria considerazione dalla maggior parte dei fisici e degli astronomi fino alla metà degli anni Sessanta. Oggi si è sul punto di confermare la scoperta del primo buco nero nello spazio. Il concetto di buco nero porta alle estreme conseguenze i nostri concetti di spazio e tempo. La superficie di un buco nero chiamata orizzonte, è una superficie di separazione chiusa entro la quale la velocità di fuga è maggiore della velocità della luce. La previsione ditale superficie per corpi abbastanza compatti può essere fatta sulla sola base della teoria della gravitazione di Newton insieme alla relatività ristretta: la velocità di fuga di una particella lanciata dalla superficie di una massa sferica M di raggio R è vf = (2GM/R)^½  Quando M/R soddisfa la relazione 20M/R> c2 , vf supera la velocità della luce e nessuna particella e nessun fotone può fuggire, come è richiesto dalla relatività ristretta. Un risultato notevole è che l'interno di un buco nero non ha relazione causale con il resto dell'universo: nessun processo fisico che avvenga all'interno dell'orizzonte può comunicare la propria esistenza o i propri effetti all'esterno. Per un buco nero sferico di massa M, l'orizzonte è una sfera la cui circonferenza è uguale a 2 n volte il raggio di Schwarzschild del buco Rs, dove Rs=20M/c2 (1' esatta coincidenza numerica di questo raggio con l'analogo newtoniano è casuale). Un buco nero con una massa uguale a quella del Sole avrebbe un raggio di Schwarzschild di 2,95 km. Secondo la relatività generale, lo spazio e il tempo sono deformati dal campo gravitazionale dovuto ai corpi dotati di massa e la deformazione è più forte in prossimità di un buco nero. La gravitazione influenza tutti i sistemi fisici in maniera universale e quindi tutti gli orologi (siano essi transizioni di una molecola di ammoniaca o battiti cardiaci di un essere umano) e tutti i regoli graduati indicherebbero che il tempo è rallentato e lo spazio allungato in prossimità di un buco nero. Oppure si possono descrivere gli effetti del campo gravitazionale del buco su una misura locale degli intervalli di tempo e delle distanze come un'accelerazione del riferimento di Lorentz locale (in cui è valida la relatività ristretta) rispetto agli altri riferimenti di Lorentz locali in differenti posizioni. I buchi neri si formano quando stelle massicce subiscono il collasso gravitazionale totale. Nell'emettere calore e luce nello spazio, le stelle si equilibrano contro la loro stessa gravità con la forza diretta verso l'esterno dovuta alla pressione generata dal calore dell'energia nucleare liberata al loro interno. Ma ogni stella deve morire. Quando il suo combustibile nucleare si sarà esaurito, essa si contrarrà. Se la sua massa è minore di circa tre volte la massa del Sole, la stella in contrazione si stabilizzerà a un diametro minore, quando l'attrazione gravitazionale diretta verso l'interno non potrà più costringere le particelle che costituiscono la stella ad avvicinarsi ulteriormente l'una all'altra. Una stella siffatta vivrà per l'eternità come nana bianca o stella di neutroni. Ma se la massa della stella è maggiore di circa 3 masse solari, la teoria prevede che la forza diretta verso l'esterno, per quanto grande essa possa essere, non riuscirà a evitare la schiacciante compressione gravitazionale, e la stella imploderà, scomparendo per sempre dalla vista e dando origine ad un buco nero. Recenti dimostrazioni matematiche, eseguite per mezzo della teoria della relatività generale di Einstein, indicano che un buco nero è uno dei più semplici oggetti naturali e può essere descritto completamente da tre sole grandezze: la sua massa, il suo momento angolare e la sua carica elettrica totale. All'infuori di queste tre grandezze, tutte le informazioni sulla stella progenitrice, per esempio se era costituita da particelle o antiparticelle, se era piatta come una frittella o sferica, sono andate perdute mediante onde gravitazionali ed elettromagnetiche poco dopo la formazione del buco. I buchi neri rotanti, chiamati buchi di Kerr (quelli non rotanti sono chiamati buchi di Schwarzschild) si circondano di una regione chiamata ergosfera in cui lo spazio e il tempo sono deformati a un punto tale che tutte le particelle, i fotoni e persino i riferimenti di Lorentz locali sono costretti ruotare intorno al buco. A grandi distanze da un buco nero, il suo campo gravitazionale si comporta come se fosse generato da una stella ordinaria di massa M, ubbidendo alla legge newtoniana dell'inverso del quadrato della distanza. Vicino a un buco nero, il campo gravitazionale è di gran lunga più forte di quanto sarebbe previsto dalla teoria newtoniana. Un uomo che fosse risucchiato in un buco nero avente una massa pari a quella del Sole sarebbe fatto a pezzi dalla forza gravitazionale differenziale agente lungo il suo corpo molto tempo prima di avere raggiunto l'orizzonte del buco nero. Dopo che l'orizzonte del buco si è formato, non si possono più ricevere informazioni sul destino ultimo della stella collassata che racchiude al suo interno. I calcoli del collasso (supposto sferico) indicano che la stella è compressa fino a volume zero e densità infinita nel centro del buco nero, in cui forma un punto di forza gravitazionale infinita chiamato singolarità. Per una stella in collasso, la cui massa sia pari a qualche massa solare, gli ultimi spasimi dell'agonia terminerebbero in qualche centomillesimo di secondo (misurato localmente). Gli effetti quantistici, tralasciati nella teoria classica della relatività generale, arresterebbero forse il collasso stellare a una densità inimmaginabile p circa uguale a  c5/hG2 che corrisponde a 5 x lO93 g/cm3, dove h è la costante di Planck, impedendo così la creazione di singolarità; ma tali effetti non potrebbero impedire la formazione di buchi neri. Secondo le attuali teorie dell'evoluzione stellare, potrebbero esistere ben 100 milioni di buchi neri nella Galassia; ma la loro ricerca non e facile, poiché non si potrebbe mai rivelare la presenza di una macchiolina nera di qualche chilometro di diametro contro il cielo notturno
Si devono invece cercare i segni dell'interazione fra i buchi neri ed i loro vicini. Quello che potrebbe essere scoperto più facilmente sarebbe un buco nero orbitante intorno ad una stella normale in un sistema binario. Usando le leggi di Keplero, l'analisi del valore e del periodo dello spostamento Doppler della stella normale visibile consente di calcolare se la compagna invisibile ha tanta massa quanto basta per essere un buco nero. Inoltre si potrebbero osservare gli intensi e tremolanti raggi X prodotti quando il gas proveniente dalla stella normale è risucchiato verso il buco nero e riscaldato ad una temperatura di miliardi di gradi mentre percorre la traiettoria a spirale che lo porta nel buco nero in cui verrà distrutto. Tali sono i segni rivelatori della sorgente di raggi X binaria Cygnus XI, un eccellente candidato per un buco nero distante circa 8000 anni luce dalla Terra e situato nella costellazione del Cigno. I buchi neri sono un fenomeno naturale fondamentale. Lo spazio può essere disseminato di buchi neri, che ci attraggono con i loro segreti del tempo e dello spazio dietro un manto di oscurità impenetrabile, una sfida e un premio per la perseveranza di astronomi e fisici.