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livello medio.
ARGOMENTO: ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Buchi neri, orizzonte degli eventi
“Einstein […] sbagliò quando disse: “Dio non gioca a dadi”. La considerazione dei buchi neri suggerisce infatti non solo che Dio gioca a dadi, ma che a volte ci confonda gettandoli dove non li si può vedere.” Stephen Hawking, La Natura dello Spazio e del Tempo, 1996
Le prime stelle dell’universo si formarono da enormi nubi di idrogeno ed elio, molto più grandi delle stelle successive. Studiando i buchi neri potremmo capire come l’universo abbia formato le stelle nel tempo cosmico e di come si siano assemblate in seguito le galassie. Un aiuto per comprendere questi misteri viene dalle onde gravitazionali. Facciamo un passo indietro: Stephen Hawking studiò i buchi neri facendo ricorso alla meccanica quantistica, ovvero alla branca della fisica che studia le particelle piccolissime. La teoria di Hawking, pubblicata nel 1971, sosteneva che l’area dell’orizzonte degli eventi di un buco nero fosse proporzionale alla sua massa e, poiché i buchi neri in base alla teoria della Relatività generale potevano solo guadagnare massa fagocitando materia, il loro orizzonte degli eventi era destinato a crescere.
Questa teoria è stato oggi dimostrata proprio grazie alle onde gravitazionali. Di fatto gli astronomi stanno osservando l’Universo in un modo completamente nuovo, studiando le onde gravitazionali generate dalle enormi fusioni tra oggetti molto massicci a grandissima distanza. Considerando che la materia che cade all’interno del buco nero produce radiazioni, nel caso, non raro, che due buchi neri si fondano, vengono emesse delle onde gravitazionali. L’analisi delle onde ci consente di comprendere la loro massa e rotazione nonché la formazione dei sistemi binari 1. Per studiare questi fenomeni, si hanno oggi a disposizione due tipologie di strumenti: da una parte gli interferometri per l’analisi delle onde gravitazionali, dall’altra moderni radiotelescopi per l’analisi delle onde elettromagnetiche.
A questo punto ci possiamo domandare se i buchi neri siano tutti uguali.
In generale, i buchi neri possono essere suddivisi in buchi neri stellari (con una massa 70 volte quella del Sole) o in super-massicci (da 100.000 a svariati miliardi di masse solari). Sembrerebbe che i buchi neri si collochino al centro delle galassie; anche la Via Lattea ne possiede uno a centro della sua struttura a spirale, denominato Sagittarius A*.
Questa è la prima immagine di Sgr A*, il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. Questa immagine è la prima prova visiva diretta della presenza di questo buco nero ed è stata ottenuta dall’Event Horizon Telescope (EHT), un array che collega insieme otto osservatori radio esistenti in tutto il pianeta per formare un singolo telescopio virtuale “delle dimensioni della Terra”. Il telescopio prende il nome dall’orizzonte degli eventi, il confine del buco nero oltre il quale nessuna luce può fuoriuscire. Sebbene non possiamo vedere l’orizzonte degli eventi stesso, perché non può emettere luce, il gas luminoso che orbita attorno al buco nero ci rivela una firma rivelatrice: una regione centrale scura (chiamata ombra) circondata da una struttura luminosa a forma di anello. L’immagine elaborata mostra la luce piegata dalla potente gravità del buco nero, che è quattro milioni di volte più massiccio del nostro Sole. L’immagine del buco nero Sgr A* è una media di diverse immagini osservate nel 2017. EHT Saggitarius A black hole.tif – Wikipedia
Questo buco nero si trova a circa 27 mila anni-luce dalla Terra in direzione della costellazione del Sagittario ma non è l’unico di cui è stato possibile ricavare un’immagine: quello al centro della galassia M87 è 1.500 volte più massiccio e TON 618, il buco nero di maggiori dimensioni che conosciamo, ha una massa di 66 miliardi di Soli.
In questa immagine di M87*, scattata l’11 aprile 2017, l’ombra di un buco nero è la cosa più vicina che possiamo ottenere da un’immagine del buco nero stesso, un oggetto completamente buio da cui la luce non può fuoriuscire Black hole – Messier 87 crop max res.jpg – Wikipedia
Uno dei tanti misteri è perché esiste un “vuoto” quantitativo nella distribuzione di massa dei buchi neri in quanto non sono mai stati osservati buchi neri di massa intermedia, cioè tra 100 e 100.000 masse solari. Gli scienziati ritengono che buchi neri possono avere anche dimensioni piccolissime nel caso in cui, all’interno di una regione di spazio, si generi una quantità di materia-energia sufficiente da superare il limite di densità per la formazione di un orizzonte degli eventi. Secondo questa teoria, buchi neri microscopici si potrebbero essere formati durante le prime fasi di espansione dell’universo, quando le disomogeneità casuali nella distribuzione di materia e energia avevano creato le condizioni per un collasso gravitazionale (non a caso vengono definiti buchi neri primordiali). Buchi neri potrebbero essere generati anche dal collasso gravitazionale di una nube di gas e polveri quando l’Universo era molto giovane e la materia era concentrata in zone ad alta densità con flussi di gas e polveri spaziali.
Ma come nascono i buchi neri?
Come abbiamo descritto nell’articolo precedente, i buchi neri hanno tre “strati”: l’orizzonte degli eventi esterno, il suo interno e la singolarità ovvero l’unico punto nello spazio-tempo in cui si concentra la sua massa e dove le leggi della fisica conosciute non sono valide. Confrontando i flussi di energia all’esterno e all’interno dell’orizzonte degli eventi, e considerando il principio della conservazione dell’energia2, si potrebbe concludere che tutto va verso la singolarità3, rendendone impossibile la visione per un osservatore esterno.
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Nella teoria della Relatività Generale di Einstein ci si riferisce a sistemi fisici le cui equazioni, nelle singolarità, perdono di significato e con esse, la concezione del tempo, inteso come quella dimensione che descrive normalmente il passato, il presente e il futuro. Questo implica che oltre l’orizzonte degli eventi il tempo diventerebbe immaginario, non sarebbe più possibile trattare il buco nero come un sistema dinamico e nessun oggetto fisico potrebbe entrarvi. Di conseguenza, la materia, pur se attratta dalla gravità del buco nero, non riuscirebbe quindi ad entrare al suo interno e finirebbe per accumularsi intorno ad esso. Per quanto sopra, sempre secondo la Relatività Generale, esisterebbe una “fisica senza singolarità”, applicabile anche alla meccanica quantistica e l’orizzonte degli eventi diventerebbe il limite oltre il quale il tempo diventa immaginario, in cui le particelle non riuscendo ad entrare nel buco si accumulerebbero intorno. |
Sappiamo che in genere un buco nero di massa stellare è ciò che resta di una stella molto massiccia dopo un’esplosione di una supernova e può essere osservato dai normali telescopi. In pratica l’esplosione di una supernova agisce sul buco nero come una grossa spinta che lo manda verso un ambiente meno contaminato da gas e polveri e, dunque, più facilmente osservabile. I buchi neri stellari più massicci, come quelli rilevati dagli interferometri per onde gravitazionali, si formerebbero invece attraverso l’implosione della stella originale. Mancando la fase esplosiva, questi buchi neri tendono a rimanere dove sono: non si spostano dunque dal luogo d’origine, che di solito è nel piano galattico. Quindi, maggiori sono le loro dimensioni e meno vengono spinti lontano, rimanendo così avvolti da gas e polveri. Se due galassie si attraggono l’una con l’altra danno origine alle fusioni dei buchi neri centrali, detti anche “super massicci”. In questo caso le fusioni dei buchi neri rappresentano sostanzialmente le fusioni delle due galassie. E’ stata fatta una simulazione al computer cambiando la massa di tre buchi neri interagenti, iniziando con tre buchi neri di massa simile a quella del nostro sole per arrivare a buchi neri di massa di miliardi di volte maggiore. secondo la simulazione se i buchi neri sono più leggeri si lanciano a vicenda nello spazio mentre se sono più pesanti si fondono. In parole semplici, arrivati ad una massa di circa 10 milioni di masse solari, quelli più leggeri vanno incontro ad una “fionda gravitazionale” e si allontanano l’uno dall’altro. Quelli più pesanti, invece, iniziano uno processo che termina con la loro fusione. La fusione accade perché i tre buchi neri perdono energia cinetica; essa è preceduta da un’onda gravitazionale che si propaga a spirale. Si pensa che diversi buchi neri super-massicci possano diventare così grandi da inghiottire altri buchi neri aumentando così enormemente la loro massa, un processo che può richiedere miliardi di anni.
Alcuni astronomi suggeriscono che la maggior parte dei buchi neri abbia origine all’interno di ammassi di stelle un milione di volte più dense della nostra galassia. Ogni volta che una stella molto massiccia esplode, lascia dietro di sé un buco nero che affonda al centro dell’ammasso stellare. Il centro dell’ammasso diventa quindi denso di buchi neri che si intrecciano per gravità in una sorta di danza cosmica. Gli astronomi chiamano questa formazione di buchi neri dinamica. Altri suggeriscono che i sistemi binari dei buchi neri iniziano come coppie di stelle in aree relativamente desolate delle galassie. Dopo una lunga e caotica vita insieme, anch’esse esplodono, creando una coppia di buchi neri isolati che continuano ad orbitare l’uno attorno all’altro. I buchi neri più pesanti sembrano essere più comuni all’inizio della storia dell’universo. Le prime stelle dell’universo si sono formate da enormi nubi di idrogeno ed elio, il che le renderebbe molto più grandi delle stelle successive. Anche i buchi neri creati da queste stelle dovrebbero quindi essere enormi. Le prime stelle dell’universo si formarono da enormi nubi di idrogeno ed elio, molto più grandi delle stelle successive per cui anche i buchi neri creati da queste stelle dovrebbero essere enormi. Studiando quindi i buchi neri potremmo capire come l’universo abbia formato le stelle nel tempo cosmico e di come si siano assemblate in seguito le galassie.
L’osservatorio a raggi X Chandra della NASA e altri telescopi hanno identificato un buco nero supermassiccio che ingloba una stella e ora sta usando quel relitto stellare per colpire un’altra stella o un buco nero più piccolo. Questa ricerca aiuta a collegare due misteri cosmici e fornisce informazioni sull’ambiente circostante alcuni dei buchi neri di maggiori dimensioni – Fonte Raggi X: NASA/CXC/Queen’s Univ. Belfast/M. Nicholl et al.; Ottico/IR: PanSTARRS, NSF/Legacy Survey/SDSS; Illustrazione: Soheb Mandhai / The Astro Phoenix; Elaborazione immagini: NASA/CXC/SAO/N. Wolk Black Hole Destroys Star, Goes After Another, NASA Missions Find – NASA
Un nuovo strumento sarà presto disponibile
L’Agenzia spaziale europea (ESA) e la NASA hanno dato il via libera al loro progetto Laser Interferometer Space Antenna (LISA), un gigantesco rilevatore spaziale di onde gravitazionali in grado di rilevare variazioni nello spazio-tempo causate dalla collisione degli enormi buchi neri al centro delle galassie con altri oggetti massicci. Il rilevatore sarà costituito da tre postazioni spaziali a 2,5 milioni di chilometri di distanza, che formeranno un triangolo di luce laser in grado di rilevare quelle distorsioni. L’interferometro spaziale funzionerà con lo stesso principio del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), che ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali nel 2015 ma sarà in grado di rilevare quelle a bassa frequenza, rivelando crash cosmici attualmente non rilevabili da LIGO.
Il disco turbolento di gas attorno a un buco nero assume un aspetto a doppia gobba. L’estrema gravità del buco nero altera i percorsi della luce proveniente da diverse parti del disco, producendo l’immagine deformata. L’estremo campo gravitazionale del buco nero reindirizza e distorce la luce proveniente da diverse parti del disco, ma ciò che vediamo esattamente dipende dal nostro angolo di visione. La distorsione maggiore si verifica quando si osserva il sistema quasi di taglio. Credito: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
NASA Visualization Shows a Black Hole’s Warped World – NASA
In sintesi, abbiamo di fronte un universo ancora sconosciuto dove il mistero dei buchi neri si intreccia con quello della materia oscura e della ancora più enigmatica energia oscura. Uno stimolo a continuare sulla strada della ricerca che ci porterà un giorno a capire proprio quel lato oscuro dell’Universo che non è osservabile ma che ci fa sentire la sua presenza e le sue misteriose energie.
Vincenzo Popio
consiglio di leggere anche il mio primo articolo sui buchi neri
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1. Un buco nero binario è un sistema costituito da due buchi neri che orbitano molto vicini l’uno all’altro. I buchi neri binari sono solitamente suddivisi in buchi neri binari stellari, derivanti o da una stella binaria di massa elevata o da processi dinamici e mutue catture, e in buchi neri binari supermassicci, quando sono il risultato di fusioni galattiche.
2. La legge di conservazione dell’energia afferma che, sebbene l’energia possa essere trasformata e convertita da una forma all’altra, la quantità totale di essa in un sistema isolato non varia nel tempo. Questo principio è comprensivo di tutte le possibili forme di energia, tra cui rientra (dopo Einstein) anche la massa e la quantità di moto e vale anche nella meccanica quantistica
3. Una singolarità è un punto in cui un ente matematico, per esempio una funzione o una superficie, “degenera”, cioè perde parte delle proprietà di cui gode negli altri punti generici. In parole semplici dove piccole variazioni di una grandezza che caratterizza il fenomeno possono causare variazioni illimitatamente grandi o anche vere e proprie discontinuità.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.