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Singolarità, orizzonte degli eventi e disco di accrescimento sono termini tecnici usati dagli addetti ai lavori per descrivere la natura e l’evoluzione dei buchi neri.
Esplosione di una supernova
rappresentazione artistica
Nel precedente articolo abbiamo tentato di spiegare cos’è un buco nero, ma come nascono questi singolari oggetti? La loro formazione nel cosmo non avviene silenziosamente, ma dopo l’esplosione di una stella di grande massa come una supernova. Queste stelle particolari, una volta esaurito il loro combustibile nucleare, non riescono a controbilanciare la contrazione gravitazionale e collassano sotto il loro stesso peso. Gli attuali modelli indicano che solo il nucleo della stella si trasforma in un buco nero, perché durante le ultime fasi della vita dell’astro l’esplosione finale sarebbe responsabile della dispersione della materia, che andrebbe a costituire una nebulosa. Per dare vita ad un buco nero è però necessario che il nucleo stellare abbia una massa pari almeno al triplo di quella del Sole.
Tornando a quello che rimane del nucleo della stella dopo l’esplosione, la teoria della Relatività afferma che lo spazio-tempo acquista una curvatura infinitamente grande e questa materia è estremamente addensata in una regione di spazio considerevolmente piccola, tanto da poterla pensare concentrata in un punto di densità infinita chiamato singolarità. Inutile dire che qui le usuali leggi fisiche cessano di valere. Le stranezze però non terminano qua perché il buco nero è caratterizzato da una superficie immaginaria detta orizzonte degli eventi, che indica il confine che separa la parte di spazio “normale” da quella non più osservabile dall’esterno. Il raggio è direttamente proporzionale alla massa. Ad esempio un buco nero di massa pari a quella del Sole avrebbe un raggio di circa 3 chilometri, mentre per una massa pari a quella della Terra il raggio sarebbe circa 0,88 centimetri. Le masse dei buchi neri, comunque, sono estremamente variabili. Ad esempio quelli stellari si attestano ad alcune volte, o alcune decine di volte, quella del Sole, mentre i buchi neri che si trovano al centro delle galassie, i così detti Buchi neri galattici, possono raggiungere anche i miliardi di masse solari.
disco di accrescimento
rappresentazione artistica
L’osservazione diretta dei buchi neri non porterebbe a nulla dato che non possono emettere radiazioni, a parte quelle previste da Hawking. Tuttavia se il buco nero è circondato da gas che gli orbita attorno tenderà a precipitare al suo interno ed il gas assumerà una configurazione centrata nel buco nero detta disco di accrescimento. Cadendo verso il buco nero, prima di venire inglobato, il gas tenderà a scaldarsi raggiungendo temperature di miliardi di gradi ed emettendo radiazioni elettromagnetiche soprattutto nella banda X, che siamo in grado di osservare dallo spazio. Tale scenario raffigura i così detti sistemi binari: una delle stelle è un buco nero che sottrae gas alla stella compagna di tipo normale.
Si suppone che anche i fenomeni energetici che vengono osservati nelle galassie con nucleo attivo dipendano dalla presenza di un disco di accrescimento attorno a un buco nero estremamente massiccio posto nel loro centro. Oppure, un altro metodo per scovare un buco nero posto in un sistema binario che orbita attorno ad una stella normale può essere quello di calcolare se la compagna invisibile ha massa sufficiente per essere un buco nero, sapendo almeno il periodo orbitale del sistema che è ricavabile da analisi dello spostamento Doppler della luce della stella visibile ed utilizzando le leggi di Keplero.
Finora non abbiamo fatto altro che dare delle informazioni qualitative, ma sappiate che dietro a tutto questo si celano diverse tipologie di buchi neri descritte dalle soluzioni delle equazioni di campo di Einstein che sono le seguenti: la più semplice è quella di Schwarzschild, che descrive un buco nero caratterizzato soltanto dalla sua massa, non ruotante e a simmetria sferica; abbiamo poi quella di Reissner-Nordstrom, del 1916-18, caratterizzante buchi neri a simmetria sferica non ruotanti dotati di massa e anche di carica elettrica. Quella per i buchi neri dotati di massa e ruotanti, ma senza carica elettrica, è detta di Kerr, e venne introdotta nel 1963. Infine i buchi neri di Kerr-Newmann hanno contemporaneamente massa, carica e rotazione, e la relativa soluzione che li descrive è stata scoperta nel 1965.
Il modello di buco nero oggi più accreditato? Pare che sia quello descritto dalla soluzione di Kerr.
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21 Commenti a “Buchi Neri - Nascita ed evoluzione”
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Devo chiedere scusa per la mia ignoranza, ma i dubbi rimangono… per esempio se si rivelasse vera l’ipotesi dell’universo che imploderà su se stesso (il big crunch) si dovrà arrivare ad un punto in cui tutta la massa e dunque materia siano riuniti in una singolarità, con temperature e pressione infinita, e dopo?
…in questo modo però anche lo spazio si “rimpicciolirebbe”… e siamo al punto di partenza…
lo so che è una baggianata :oops:, ma ho tanti dubbi…
Ciao Davide,
non ti preoccupare non sei solo, i dubbi permangono in molte menti, soprattutto in quelle degli scienziati che stanno lavorando da anni su questo problema.
Sappi solo che in cosmologia è difficile affrontre il “metodo scientifico”: brevemente prima di tutto non si posso riprodurre in laboratorio i fenomeni che avvengono nell’Universo ed i modelli matematici che vengono prodotti spesso hanno dei limiti proprio perchè attualmente gli strumenti matematici uttilizzati non sono in grado di fornire soluzioni che descrivano le situazioni estreme di cui parli.:sad:
I buchi neri supermassicci hanno alcune interessanti proprietà che li distinguono dai loro cugini più piccoli:
la densità media (intesa come il rapporto tra massa del buco nero e volume racchiuso entro l’orizzonte degli eventi) di un buco nero supermassiccio può essere molto bassa, e può essere anche inferiore a quella dell’acqua. Questo succede perché il raggio di un buco nero aumenta linearmente con la massa, e quindi la densità cala velocemente all’ingrandirsi del buco nero.
le grandi forze di marea tipiche dei piccoli buchi neri sono assenti vicino all’orizzonte degli eventi: poiché la singolarità è così lontana dall’orizzonte, un ipotetico astronauta che viaggiasse verso il centro del buco nero non sperimenterebbe forze di marea significative finché non arrivasse molto all’interno del buco.:grin::razz::lol:
Ciao Fabio,
per rispondere correttamente alla tua domanda mi sono avvalsa dell’esperienza di due ricercatori che ringrazio: il dott. A. Vecchiato dell’Osservatorio di Torino ed il prof. F. De Felice del dipartimento di fisica dell’Università di Padova.
Tralasciando le varie equazioni matematiche si può dire che, se si considera come “forma” dei buchi neri quella geometrica del loro orizzonte degli eventi, allora quelli di Schwarzschild e di Reissner-Nordstrom sono sferici mentre quelli di Kerr e Kerr-Newman sono degli sferoidi schiacciati ai poli come la Terra. Tuttavia dire che un dato buco nero è sferico sottintende che lo si possa “vedere” come tale se lo si illumina, per esempio da dietro. In questo caso ciò che si vede non è una sfera, ma una specie di sombrero perché la luce che proviene dalla parte opposta all’osservatore rispetto al buco nero, per lente gravitazionale, giunge con un angolo diverso da quello atteso in una geometria Euclidea.
Più complicata è l’immagine nel caso di Kerr. Si può vedere un fascicolo della rivista Le Scienze dedicato alla Relatività di qualche anno fa dove ci sono tante belle figure dell’apparenza ottica di un buco nero.
Spero di aver risposto sufficientemente al tuo quesito! 
egregia Professoressa,
grazie per aver risposto, quindi se il buco nero ha forma sferica si può teoricamente “girargli intorno”, ovviamente tenendosi a debita distanza.
Inoltre ho letto che i buchi neri emettono raggi X, quindi così come una stella propaga raggi luminosi in tutte le direzioni, i buchi neri essendo sferici dovrebbero emettere raggi X in tutte le direzioni. Vero?
Ciao Fabio,
i buchi neri non emettono la radiazione X, proprio perchè sono neri. Quello che capita è che i buchi neri attraggono a sé enormi quantità di materia che iniziano a ruotare attorno ad essi formando quello che si chiama un disco di accrescimento. E’ la materia in questo disco che riscaldandosi a temperature talmente alte che poi emette radiazione X.:wink:
Salve, sono un altro ignorante… ma affascinato dalla materia.
Io avevo letto da qualche parte della teoria dell’universo cliclico: esplosione (Big Bang), espansione (che sarebbe la fase attuale), ma poi contrazione fino a tornare al punto di partenza, ovvero tutta la massa dell’universo concentrata in un unico punto, o singolarità.
Potrebbe, questa singolarità essere associata a un buco nero di massa ‘infinita’?
Questo mi fa porre anche un’altra domanda sul big bang: se questa teoria fosse plausibile, posto che questa singolarità stesse in condizioni di stabilità (visto che la materia non può sfuggire) che cosa è che genera l’esplosione ‘primaria’ detta Big Bang?
Grazie!
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Salve, ho fatto da poco una tesi x l’esame di maturità sui buchi neri.
Scusate la mia ignoranza ma un dubbio mi perseguita: se nel Big Bang tutta la materia era compressa in un punto di massa e densità infinita, una sorta di singolarità, come mai lo spazio-tempo non si è deformato a tal punto formando un buco nero? Forse perchè lo spazio-tempo si è formato solo dopo il Big Bang come diceva Einstein?
davide