Buco nero
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Un buco nero è un corpo celeste estremamente denso, dotato di un'attrazione gravitazionale talmente elevata da non permettere l'allontanamento di alcunché dalla sua superficie, nemmeno della radiazione elettromagnetica, inclusa la luce. Tale superficie ideale è denominata orizzonte degli eventi. Poiché neanche la luce riesce a fuggire da quest'orizzonte, l'oggetto celeste risulta invisibile: la sua presenza può essere attestata solo indirettamente.
In effetti l'esistenza dei buchi neri è predetta dalla relatività generale, la principale teoria della gravitazione oggi accettata dalla comunità scientifica internazionale. Inoltre sono state effettuate alcune osservazioni riconducibili all'attività di questi oggetti, rintracciabili ad esempio nelle zone centrali di alcune galassie (nuclei galattici attivi).
Un buco nero formatosi da una stella ha una massa superiore ad almeno tre volte quella del Sole, ma a causa dei vari processi di perdita di massa subiti dalle stelle al termine della loro vita occorre che la stella originaria sia almeno dieci volte più massiccia del Sole. I numeri citati sono meramente indicativi, in quanto dipendono dai dettagli dei modelli utilizzati per prevedere l'evoluzione stellare e, in particolare, dalla composizione chimica iniziale della nube di gas che ha dato origine alla stella in questione. Non è esclusa la possibilità che un buco nero possa avere origine non stellare, come si suppone ad esempio per i cosiddetti buchi neri primordiali: vedi il seguito per approfondire.
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[modifica] Formazione dei buchi neri
Verso il termine del proprio ciclo vitale, il nucleo di una stella si spegne, avendo trasformato tramite fusione nucleare tutto l'idrogeno in elio. La forza gravitazionale, che prima era in equilibrio con la pressione generata dalle reazioni di fusione nucleare, prevale e comprime la massa della stella verso il suo centro.
Quando la densità diventa sufficientemente elevata può innescarsi la fusione nucleare dell'elio, in seguito alla quale c'è la produzione di litio, azoto e altri elementi (fino all'ossigeno e al silicio). Durante questa fase la stella si espande e si contrae violentemente più volte, espellendo parte della propria massa. Le stelle più piccole si fermano ad un certo punto della catena e si spengono, raffreddandosi e contraendosi lentamente, attraversano lo stadio di nana bianca e nel corso di molti milioni di anni diventano una sorta di gigantesco pianeta. In questo stadio la forza gravitazionale è bilanciata da un fenomeno quantistico, detto pressione di degenerazione, legato al principio di esclusione di Pauli. Per le nane bianche la pressione di degenerazione è presente tra gli elettroni.
Se invece la stella supera una massa critica, detta limite di Chandrasekhar pari a 1,4 volte la massa solare, ad un certo punto ogni possibile combustibile nucleare viene bruciato e le reazioni nucleari non sono più in grado di opporsi al collasso gravitazionale. A questo punto la stella subisce una contrazione fortissima, che fa entrare in gioco la pressione di degenerazione tra i componenti dei nuclei atomici. La pressione di degenerazione arresta bruscamente il processo di contrazione, ma in questo caso può provocare una gigantesca esplosione, detta esplosione di supernova di tipo II .
Durante l'esplosione quel che resta della stella espelle gran parte della propria massa, che va a disperdersi nell'universo circostante; quello che rimane è un nucleo estremamente denso e massiccio. Se la sua massa è abbastanza piccola da permettere alla pressione di degenerazione di contrastare la forza di gravità si arriva ad una situazione di equilibrio: si forma una stella di neutroni.
Se la massa supera le tre masse solari non c'è più niente che possa contrastare la forza gravitazionale; inoltre, secondo la Relatività generale, la pressione interna non viene più esercitata verso l'esterno (in modo da contrastare il campo gravitazionale), ma diventa essa stessa una sorgente del campo gravitazionale, rendendo così inevitabile il collasso infinito.
A questo punto la densità della stella morente, ormai diventata un buco nero, raggiunge velocemente valori tali da creare un campo gravitazionale talmente intenso da non permettere a nulla di sfuggire alla sua attrazione, neppure alla luce: si ha una curvatura infinita dello spaziotempo, che può far nascere dei cunicoli all'interno di buchi neri in rotazione. Alcuni scienziati hanno così ipotizzato che, almeno in linea teorica, è possibile viaggiare nel passato, visto che i cunicoli collegano due regioni diverse dello spaziotempo.
A causa delle loro caratteristiche, i buchi neri non possono essere osservati direttamente ma possono essere scoperti a causa degli effetti di attrazione gravitazionale che esercitano nei confronti della materia vicina.
Esistono anche altri scenari che possono portare alla formazione di un buco nero. In particolare una stella di neutroni in un sistema binario può rubare massa alla sua vicina fino a superare la massa di Chandrasekhar e collassare. Alcuni indizi suggeriscono che questo meccanismo di formazione sia più frequente di quello "diretto".
Un altro scenario permette la formazione di buchi neri con massa inferiore alla massa di Chandrasekhar: anche una quantità arbitrariamente piccola di materia, se compressa da una gigantesca forza esterna, potrebbe in teoria collassare e generare un orizzonte degli eventi molto piccolo. Le condizioni necessarie potrebbero essersi verificate nel primo periodo di vita dell'universo, quando la sua densità media era ancora molto alta, a causa di variazioni di densità o di onde di pressione. Questa ipotesi è ancora completamente speculativa e non ci sono indizi che buchi neri di questo tipo esistano o siano esistiti in passato.
[modifica] Fenomenologia dei buchi neri
Una caratteristica dei buchi neri è il cosiddetto orizzonte degli eventi, una superficie ideale che circonda l'oggetto. Qualunque cosa oltrepassi questo limite (che può essere calcolato matematicamente), posto ad una distanza dal centro del buco nero pari al raggio di Schwarzschild, non può più uscirne o trasmettere segnali all'esterno. Una frase coniata dal fisico John Archibald Wheeler, un buco nero non ha capelli, sta a significare che tutte le informazioni della massa che cade in un buco nero vengono perdute, ad eccezione di tre fattori: massa, carica e momento angolare. Il corrispondente teorema è stato dimostrato da Wheeler, il quale è anche colui che ha dato il nome a questi oggetti astronomici.
In realtà un buco nero non è del tutto nero: esso emette particelle, in quantità inversamente proporzionale alla sua massa, portando ad una sorta di evaporazione. Questo fenomeno, dimostrato nel 1974 per la prima volta dal fisico Stephen Hawking, è noto come radiazione di Hawking ed è alla base della termodinamica dei buchi neri. Alcune sue osservazioni sull'orizzonte degli eventi dei buchi neri, inoltre, hanno portato alla formulazione del principio olografico.
Altri effetti fisici sono associati all'orizzonte degli eventi, in particolare per la relatività generale il tempo proprio rallenta all'aumentare del campo gravitazionale fino ad arrestarsi completamente sull'orizzonte. Quindi un astronauta che stesse precipitando verso un buco nero percepirebbe di impiegare un tempo finito e, se potesse sopravvivere all'enorme gradiente del campo gravitazionale, non percepirebbe nulla di strano all'avvicinarsi dell'orizzonte; al contrario un osservatore esterno vedrebbe i movimenti dello sfortunato astronauta rallentare progressivamente fino ad arrestarsi del tutto quando raggiunge il raggio di Schwarzschild. L'astronauta che precipita osservando l'universo lo vedrebbe invece evolvere sempre più velocemente.
Al contrario degli oggetti dotati di massa i fotoni non vengono rallentati o accelerati dal campo gravitazionale del buco nero, ma subiscono un fortissimo spostamento verso il rosso (in uscita) o verso il blu (in entrata). Un fotone che nascesse esattamente sull'orizzonte degli eventi, diretto verso l'esterno del buco nero, subirebbe un tale spostamento verso il rosso da allungare all'infinito la sua lunghezza d'onda (la sua energia diventerebbe quindi pari a zero).
A tutt'oggi non è possibile conoscere lo stato della materia interna di un buco nero, le leggi stesse che regolano la fisica all'esterno dell'orizzonte degli eventi perdono validità in prossimità del buco nero.
Uno degli oggetti nella Via Lattea candidati ad essere un buco nero è una sorgente di raggi X chiamata Cygnus X-1. Viene ipotizzato che enormi buchi neri (di massa pari a milioni di volte quella del sole) esistano al centro delle galassie, come nella nostra e nella galassia di Andromeda.
[modifica] Ipotesi alternativa
Secondo una minoranza di ricercatori, i buchi neri non esistono. Bisogna infatti ricordare che l'esistenza dei buchi neri non è sicura, in quanto manca ancora una osservazione diretta del fenomeno nelle immediate vicinanze dell'orizzonte degli eventi. Tuttavia esistono indizi talmente numerosi della loro esistenza da poterla considerare accertata. È sempre possibile che tutti questi indizi vengano spiegati da un'entità fisica, oggi ancora sconosciuta, che non sia un buco nero, ma questa ipotesi sembra estremamente improbabile ed è in diretta contraddizione al principio del rasoio di Occam.
[modifica] Modelli fisici e modelli matematici
Un analogo fisico di un buco nero è il comportamento delle onde sonore in prossimità di un ugello di De Laval: una strozzatura utilizzata nei bruciatori dei razzi che fa passare il flusso dal regime subsonico a supersonico, senza creare un bang sonico. Prima dell'ugello le onde sonore possono andare all'indietro, mentre dopo averlo attraversato è impossibile. Altri analoghi possono sfruttare le onde superficiali in un liquido in moto in un canale circolare con altezza decrescente, un tubo per onde elettromagnetiche la cui velocità è alterata da un laser, una nube di gas di forma ellissoidale in espansione lungo l'asse maggiore. Tutti questi modelli, se raffreddati fino alla condizione di condensato di Bose - Einstein, dovrebbero presentare l'analogo della radiazione di Hawking, e possono essere usati per correggere le previsioni di quest'ultima: come un fluido ideale, la teoria di Hawking considera la velocità della luce (suono) costante, indipendentemente dalla lunghezza d'onda (comportamento detto di Tipo I). Nei fluidi reali la velocità può aumentare (Tipo II) o diminuire (Tipo III) all'aumentare della lunghezza d'onda. Analogamente dovrebbe avvenire con la luce, ma se il risultato fosse che lo spazio tempo diffonde la luce come il Tipo II o il Tipo III, andrebbe modificata la relatività generale, cosa già nota perché per le onde con lunghezza d'onda prossima alla lunghezza di Planck diventa significativa la gravitazione quantistica.
Restando invece nel campo relativistico (ossia relativo alla teoria della relatività), poiché per descrivere un buco nero sono sufficienti tre parametri: massa, momento angolare e carica elettrica, i modelli matematici derivabili come soluzioni dell'equazione di campo della relatività generale si riconducono a quattro:
[modifica] Buco nero di Schwarzschild
È la soluzione più semplice, in quanto riguarda oggetti non rotanti e privi di carica elettrica, ma è anche piuttosto improbabile nella realtà, poiché un oggetto dotato anche di una minima rotazione, una volta contratto in buco nero deve aumentare enormemente la sua velocità angolare in virtù del principio di conservazione della quantità di moto.
[modifica] Buco nero di Kerr
Tratta di oggetti rotanti e privi di carica elettrica, caso che presumibilmente corrisponde alla situazione reale. Un oggetto dotato di un campo gravitazionale intenso come quello di un buco nero, ruotando trascina con se lo spaziotempo circostante, distorcendolo.
[modifica] Buco nero di Kerr-Newman
Riguarda la situazione in cui si ha sia rotazione che carica elettrica, ed è la soluzione più generale.
[modifica] Buco nero di Reissner-Nordstrøm
È il caso di un buco nero dotato di carica elettrica ma non rotante.
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Per approfondire, vedi la voce Relatività generale#Soluzioni dell'equazione di campo. |
[modifica] Ricerche sperimentali sui buchi neri
Presso il CERN di Ginevra è in costruzione un acceleratore di particelle, detto Large Hadron Collider (LHC) che, quando entrerà in funzione (presumibilmente nel 2007), potrebbe permettere di approfondire la conoscenza teorica delle condizioni di pressione e densità estreme che si verificano in prossimità dei buchi neri, oltre che nei primi istanti di vita dell'universo.
Si potrebbero inoltre generare minuscoli buchi neri che a causa della radiazione di Hawking dovrebbero evaporare in circa 10-42 secondi. Se succedesse si potrebbe così verificare l'esistenza della radiazione di Hawking.
Altre strumentazioni simili sono in fase di progettazione o costruzione in vari centri di ricerche nel mondo. Il più diretto concorrente è lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC).
[modifica] Leggende associate ai buchi neri
Per il loro fascino esotico, oltre che per le difficoltà concettuali e matematiche, i buchi neri appaiono in molte leggende pseudoscientifiche.
[modifica] I buchi bianchi
Un'ipotesi suggerita a livello divulgativo, che ha avuto fortuna nelle speculazioni fantascientifiche, è che ad ogni buco nero corrisponda un misterioso buco bianco da cui la materia inghiottita riemerge. Le varianti di questa leggenda vogliono che la materia riemersa abbia acquisito strane proprietà, solitamente trasformandosi in una massa equivalente di antimateria. Non esiste alcuna prova sperimentale né necessità teorica per l'esistenza dei buchi bianchi.
[modifica] I wormhole
La "leggenda" sui wormhole, o tunnel cosmici, nasce da alcune teorie scientifiche speculative sull'argomento. La versione più comune della leggenda richiede che il buco nero deformi lo spazio circostante fino a portare due lembi di spazio-tempo, solitamente distanti, a toccarsi. I wormhole sarebbero percorribili (almeno in teoria), permettendo viaggi nel tempo o a velocità superluminali. Tuttavia non è mai stata dimostrata, direttamente o indirettamente, l'esistenza fisica di tunnel cosmici (sebbene autorevoli scienziati, quali Stephen Hawking e Kip Thorne, li abbiano teorizzati a livello matematico). Inoltre le teorie che ne ammettono l'esistenza pongono anche dei limiti alla loro dimensione o alla quantità di energia necessaria ad attraversarli tali da renderne l'utilizzo pratico pressocché impossibile (infatti nelle ipotesi più estreme e con un pò di fantasia una civiltà molto avanzata potrebbe utilizzare la cosiddetta "materia esotica").
[modifica] Il Big Bang deriva da un buco nero
Un'altra teoria piuttosto diffusa vuole che il Big Bang sia dovuto all'esplosione di un buco nero che aveva precedentemente inghiottito tutta la massa dell'universo. Questa teoria, pur essendo possibile, non è mai stata dimostrata; inoltre non è richiesta da nessun risultato scientifico. In altre parole che il Big Bang si origini o meno da un buco nero è irrilevante poiché le teorie fisiche conosciute sono valide solo alcuni istanti dopo il Big Bang e non permettono di azzardare ipotesi su cosa ci fosse prima.
[modifica] Il nostro universo è l'interno di un buco nero
Chi sostiene questa teoria intende che un buco nero, formatosi in un super universo con un maggior numero di dimensioni del nostro, contenga al proprio interno l'universo in cui viviamo. Poiché il tempo smette di esistere sull'orizzonte degli eventi si suppone che una delle dimensioni spaziali ne prenda il posto, producendo all'interno del buco nero un universo con una dimensione spaziale in meno. Esistono altre varianti della teoria, in cui la dimensione spaziale viene persa in altre maniere, in cui il tempo si inverte di direzione o in cui il buco nero si stacca dall'universo d'origine, come una specie di bolla.
Questa teoria, pur essendo affascinante, è assolutamente speculativa e si scontra con la nostra ignoranza di cosa accada realmente all'interno dei buchi neri. Come nel caso precedente, le leggi fisiche note perdono validità ben prima che queste speculazioni entrino in gioco.
[modifica] Bibliografia
- Buchi neri, comunicazione, energia, Jacob Bekenstein, Di Renzo Editore
- Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo, Stephen Hawking
- Of Gravity, Black Holes and Information, Jacob Bekenstein, Di Renzo Editore, 2006
[modifica] Voci correlate
- Raggio di Schwarzschild
- Massa di Chandrasekhar
- Buco nero supermassiccio
- Buco bianco
- Collapsar
- Disco di accrescimento
- Ergosfera
- Stella di energia oscura
- CERN
[modifica] Altri progetti
[modifica] Collegamenti esterni
- Il Manuale dei buchi neri (it)
- Descrizione dei buchi neri
- Teoria dei buchi neri
- buchi neri e loro effetti relativistici
