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livello elementare.
ARGOMENTO: ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Buchi neri, orizzonte degli eventi
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Ne abbiamo sentito parlare nei libri e film di fantascienza, oggetti celesti il cui campo gravitazionale è così intenso da formare intorno a sé una regione dello spaziotempo dalla quale nulla può uscire, compresa la luce e le altre radiazioni elettromagnetiche. L’argomento è molto affascinante ma anche complesso per cui cercherò di riassumerlo in maniera quanto più semplice possibile. Tecnicamente, un buco nero è un corpo celeste con un campo gravitazionale così intenso che dal suo interno non può uscire nulla, nemmeno la luce essendo la velocità di fuga necessaria superiore a quella della luce. I buchi neri più semplici hanno una massa, ma non una carica elettrica né un momento angolare e sono spesso indicati come buchi neri di Schwarzschild.
Lo spazio circostante un buco nero in una rappresentazione artistica della NASA. La superficie nera rappresenta l’orizzonte degli eventi e non il buco nero propriamente definito – Autore NASA / D. Berryhttps://imagine.gsfc.nasa.gov/science/questions/relativity.htmlBlack hole (NASA).jpg – Wikimedia CommonsCaratteristica distintiva dei buchi neri è la comparsa di una superficie nera attorno al baricentro della loro massa che ne circonda il nucleo massiccio, delimitando la regione spazio-temporale dalla quale non può uscire o venir emesso alcun segnale né alcuna quantità di materia. La superficie di questa sfera è chiamata orizzonte degli eventi perché nessun evento che accade al suo interno è in grado di avere una qualche influenza su ciò che sta all’esterno. L’enorme compattazione richiesta per creare un buco nero genera un campo gravitazionale tale da impedire ad ogni tipo di informazione (che sia materia o luce) di attraversare l’orizzonte degli eventi dall’interno verso l’esterno. In questa serie di diagrammi viene rappresentata l’influsso sulle particelle man mano che si avvicinano all’orizzonte degli eventi.
Lontano dal buco nero una particella può muoversi in qualsiasi direzione, come illustrato dalla serie di frecce. Il movimento è limitato solo dalla velocità della luce
Più vicino al buco nero lo spazio-tempo incomincia a deformarsi. Ci sono più sentieri che vanno verso il buco nero rispetto ai percorsi in allontanamento.
tutti i sentieri sono inghiottiti all’interno dell’orizzonte degli eventi – i tre diagrammi descrivono come un buco nero distorce la struttura causale dello spaziotempo che lo circonda. Le figure sono una rappresentazione essenziale dei diagrammi di Finkelstein (vedi: Hawking, Stephen W.; George Ellis (1973) The large scale structure of space-time, Cambridge: Cambridge University Press, p. 152 ISBN: 0-521-09906-4. OCLC: 16002677) BH-no-escape-3.svg – Wikimedia Commons
In parole semplici ma anche molto evocative, sono “buchi nello spaziotempo” da cui non esce niente, nemmeno la radiazione, una sorta di rigido “senso unico” a solo ingresso!
La prima prova visiva diretta della presenza di un buco nero al centro della nostra Galassia, la Via Lattea. È stata catturata dall’Event Horizon Telescope (EHT), un array che collega otto radio osservatori esistenti in tutto il pianeta per formare un unico telescopio virtuale delle dimensioni della Terra. La foto è stata pubblicata il 12 maggio 2022 – Autore EHT Collaboration
https://www.eso.org/public/images/eso2208-eht-mwa/ EHT Sagittarius A black hole.tif – Wikimedia Commons
Se i buchi neri non possono emettere luce, cosa stiamo guardando quando vediamo l’immagine di un buco nero?
Ciò che vediamo in realtà è il disco di accrescimento del buco nero, che si può formare intorno al buco nero quando la materia, che si trova nelle vicinanze, precipita verso di esso, assumendo una rotazione attorno al buco nero e scaldandosi fino ad emettere grandi quantità di radiazione elettromagnetica (in bande diverse a seconda della temperatura di emissione).
Un curioso fenomeno: la lente gravitazionale. Ecco una simulazione animata della lente gravitazionale causata da un buco nero che passa davanti a una galassia posta sullo sfondo. Un’immagine secondaria della galassia può essere vista all’interno dell’anello di Einstein del buco nero nella direzione opposta a quella della galassia. L’immagine secondaria cresce (rimanendo all’interno dell’anello di Einstein) man mano che l’immagine primaria si avvicina al buco nero. La luminosità superficiale delle due immagini rimane costante, ma la loro dimensione angolare varia, producendo quindi un’amplificazione della luminosità della galassia come se fosse vista da un osservatore distante. L’amplificazione massima si verifica quando la galassia sullo sfondo (o nel caso presente una parte luminosa di essa) si trova esattamente dietro il buco nero Black hole lensing web.gif – Wikimedia Commons
Non tutti i buchi neri formano un disco di accrescimento intorno a essi: se non c’è materiale attorno al buco nero, questo non ha nulla da attrarre a sé e pertanto sarà inattivo. Le caratteristiche del disco di accrescimento dipendono dalla distribuzione di materia del sistema e la gravità determina un’attrazione universale tra tutte le masse. L’accrescimento fa sì che l’oggetto centrale diventi sempre più massiccio e quindi sempre più attivo nel raccogliere materia. In fisica, ovunque ci sia calore, c’è radiazione elettromagnetica termica. Quando la temperatura di un corpo aumenta, aumenta anche l’energia emessa sotto forma di radiazione. La temperatura di un disco di accrescimento attorno a un buco nero è sufficientemente alta da consentire alla materia del disco di emettere grandi quantità di raggi X altamente energetici grazie ad un’altra forma di energia (in questo caso energia gravitazionale).
Questa rappresentazione artistica raffigura un buco nero super- massiccio in rapida rotazione circondato da un disco di accrescimento. Questo sottile disco di materiale rotante è costituito dai resti di una stella simile al Sole che è stata fatta a pezzi dalle forze di marea del buco nero – Fonte https://www.eso.org/public/images/eso1907h/ – Autore European Southern Observatory – ESO Anatomy of a Black Hole.jpg – Wikimedia Commons
Come si formano i buchi neri
I buchi neri di massa stellare limitata si originano quando stelle massicce (almeno 8 masse solari circa), al termine della loro evoluzione, esplodono come supernovae. Il nucleo di queste stelle implode sotto il peso dell’enorme quantità di materiale che lo sovrasta. Non avendo più a disposizione le reazioni termonucleari per contrastare la compressione, il nucleo collassa con una violenza tale da trasformarlo in un buco nero. Altra cosa è invece l’origine dei buchi neri super-massicci che non è ancora del tutto chiara. Esistono diversi modelli che vanno dall’accrescimento lento e graduale di materia a partire da un buco nero di grandezza stellare, al collasso di una grande nube di gas in una stella relativistica di dimensioni pari a centinaia di masse solari o anche più. Le ipotesi sono tante e le osservazioni con i nuovi potenti telescopi spaziali potranno aiutarci in un prossimo futuro a comprenderli meglio.
Vincenzo Popio
in anteprima una simulazione del colore nero di dieci masse solari con una vista di 600 km di distanza con la Via Lattea come sfondo – Fonte Galleria dei viaggi spazio-temporali – Autore Ute Kraus, Gruppo di educazione fisica Kraus, Università di Hildesheim, Viaggio nello spazio e nel tempo, (immagine di sfondo della Via Lattea: Axel Mellinger)
Black Hole Milkyway.jpg – Wikimedia Commons
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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.
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