Buchi Neri – Nascita ed evoluzione

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.

Supernova

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.

Orizzonte degli eventi

orizzonte degli eventi

rappresentazione artistica

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.

Supernova

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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22 Commenti

  1. 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

  2. Ciao Davide,
    non bisogna confondersi: la teoria del Big Bang prevede la creazione della materia, dell’energia e del tempo, per cui non ha senso immaginare che la materia fosse compressa, dato che, tempo, materia ed energia iniziano col Big Bang. 😕

  3. 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…

  4. 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:

  5. Domanda:
    Il buco nero nasce da stelle che implodono su loro stesse, la materia di cui esse sono fatte viene attratta al centro, quindi il buco nero in uno spazio a tre dimensioni (come il nostro) e’ buco di forma sferica? o no?

  6. 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:

  7. 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! 😛

  8. 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?

  9. 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:

  10. 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!

  11. Ciao Alessandro,
    effettivamente questa era una delle ipotesi che si facevano fino a qualche tempo fa e prevedeva che, se l’Universo avesse contenuto abbastanza materia, questa avrebbe potuto rallentare l’espansione fino a fermarla e a farla regredire. Da quel che ne so io, però, non solo ora si pensa che di materia non ce ne sia a sufficienza, ma addirittura pare che l’espansione dell’Universo stia accelerando! 😯 Questo dato osservativo verrebbe spiegato con una forma di energia repulsiva che, fra molti miliardi di anni, porterebbe l’espansione dell’Universo a valori così estremi da non permettere alcuna interazione tra la materia, disgregando così la stessa struttura dello spazio-tempo.
    Per quel che riguarda la tua domanda su cosa genera il Big Bang, anche qui ci sono molte ipotesi speculative, ma penso che possa valere la risposta data un po’ sopra a Davide, ovvero che è molto difficile fare ipotesi attendibili su queste condizioni estreme perché si arriva a situazioni sulle quali è complicato fare esperimenti e che la nostra matematica fa fatica a trattare. 😕

  12. Buongiorno,
    sono aihmé un ingegnere (ma con 30 in Fisica 1 e 2 e grande passione per la fisica in particolare della macromondo).
    Mi chiedo:
    Il famoso buco vuoto appena scoperto non potrebbe essere il punto in cui si é avuto il big-bang? Infatti, a mio modesto avviso, l’esplosione iniziale avrebbe dovuto fare in modo che in quel punto non rimanesse nulla per causa della super-proiezione di fotoni, quark, muoni e altri ingredientini verso l’esterno con simmetria sferica?
    Grazie.

  13. Ciao Stefano,
    innanzitutto complimenti per i voti. 🙂
    Purtroppo però non è come dici tu. Il nome Big Bang è fuorviante perché fa pensare ad una grande esplosione, ma questa “esplosione” non è qualcosa che è avvenuto in uno spazio già presente, riempiendolo di materia, ma qualcosa che ha creato lo spazio, il tempo (o meglio lo spazio-tempo) e la materia, tutto assieme. Per questo noi vediamo il “relitto” del Big Bang, la radiazione cosmica di fondo, dappertutto nel cielo, e se fossimo in un altro punto dell’universo vedremo esattamente la stessa cosa.
    Per lo stesso motivo, l’espansione dell’Universo di cui si parla è un’espansione dello spazio stesso in cui è contenuta la materia. 😯

    I buchi vuoti di cui parli invece sono semplicemente delle zone prive di stelle, gas e anche di materia oscura. 🙁

  14. Se mi avvicino gradatamente all’orizzonte degli eventi il mio tempo rallenta fino a fermarsi. Trattasi di fermata relativistica indotta dal super-campo gravitazionale se non erro. Poi, credo, almeno matematicamente all’interno il tempo dovrebbe andare all’indietro ovvero dovrei ringiovanire (non fatelo sapere alle signore di mezza età!!).
    Sempre analiticamente, avvicinandosi al punto di massa tendente ad infinito, il tempo dovrebbe tendere a meno infinito avvero a prima del big-bang il chè sarebbe un assurdo matematico in quanto non esiste il tempo all’indietro oltre i 15 miliardi di anni.
    E’ così?

    Grazie mille e mi scuso se ho tediato qualcuno dei gent.mi lettori.

  15. Ciao Stefano, attenzione a questi tipi di discorsi. 😎
    Quando si fanno affermazioni su fenomeni osservati, come quelli che hai nominato, occorre sempre chiarire rispetto a quale osservatore vengono riferite. Per esempio una persona che cade in un buco nero non percepisce nulla di “strano” nel suo proprio tempo, semmai sono gli “altri” che “vedono” il rallentamento del tempo. 😆

  16. Cara professoressa,
    sono ancora 1 osservatrice romantica del cielo e una amatoriale appassionata di Astronomia.
    La mia domanda riguarda sia i buchi neri che le galassie. Ho letto di recente (spero di non sbagliarmi) che sovente viene ipotizzato che nel centro di alcune galassie dell’universo risiedano dei buchi neri. Lei cosa ne pensa a riguardo? E come mai non si spende molto a parlare del centro delle galassie visto che, facendo noi parte della Via Lattea, è 1 problema abbastanza “vicino”?
    Spero di non aver avanzato ipotesi troppo bizzare e surreali ma la materia dei buchi neri mi affascina come anche la formazione e la natura (anche della forma) delle galassie.
    Grazie mille 🙂

  17. Ciao Francesca,
    scusa il ritardo con cui ti rispondo, hai sentito bene: si suppone che esistano buchi neri supermassicci al centro di diverse galassie e pure nella nostra:!:
    Questo giustificherebbe dei fenomeni molto peculiari come ad esempio i Nuclei Galattici Attivi (AGN) che sono getti di materia ed energia emessi proprio dal centro di alcune galassie.
    Ad ogni modo stai tranquilla, noi non corriamo rischi di essere inghiottiti dal buco nero che si trova al centro della nostra galassia perchè l’orbita del Sole non è tale da permettere che questo possa accadere 😉

  18. Salve, io avrei una domanda da fare. Se una stella è essa stessa responsabile di un campo gravitazionale, cioè di una curvatura dello spazio-tempo circostante, perchè ne subbisce gli effetti quando esaurisce il proprio combustibile nucleare? In altre parole, perchè si contrae su se stessa fino a diventare un buco nero, o una nana bianca ecc? Lo chiedo perchè la teoria della relatività introduce concetti come “curvatura infinita”, concetti che suonano poco convincenti. Mi chiedevo se invece non ce l’avesse la materia oscura, della quale non si sa ancora nulla, qualche responsabilità…
    Grazie.

  19. Ciao Mirza,
    la stella non è un’entità unica e indivisibile, ma è formata da tante piccole unità indivisibili (protoni, elettroni, ecc..) ognuna dotata di massa. Ciascuna di queste attrae tutte le altre e queste continuano a precipitare l’una sull’altra fino a quando non c’è qualcosa che si oppone. In una stella normale questa cosa è la pressione verso l’esterno causata dalle reazioni di fusione del nucleo della
    stella, per questo quando non ci sono più reazioni la stella collassa sotto la forza gravitazionale. 😉

  20. Ok, ammesso che si dimostri l’esistenza del bosone di Higgs… Ma se non la si dimostra? Cioè quali prove abbiamo del fatto che sia la materia ad essere responsabile dell’attrazione gravitazionale? 😕 LA relatività ci dice che massa ed energia curvano lo spazio, ma spiega anche come?

  21. Cara Mirza,
    iniziamo dalla fine: spiegare il “come” è proprio il compito delle teorie scientifiche. Qualunque teoria scientifica fornisce una specie di “ricetta” sotto forma di modello matematico che è in grado di spiegare una certa tipologia di fenomeni. Questo è esattamente spiegare il “come”.

    La Relatività appartiene ad un tipo di teorie che vanno sotto il nome di “teorie di campo” perché i modelli matematici che le descrivono sono basati su oggetti matematici chiamati .. campi! 😆
    Un altro esempio di queste teorie è la teoria classica dell’elettromagnetismo. La ricetta di queste teorie, per quel che riguarda la gravità, è quindi quella di dire che oggetti dotati di una proprietà chiamata massa generano un campo (gravitazionale), e che gli altri oggetti dotati di massa si muovono seguendo dei percorsi di “minima resistenza” in questo campo. Nella teoria dell’elettromagnetismo si usano gli stessi strumenti matematici ma si ipotizza un’altra proprietà detta “carica elettrica”.

    Per quel che riguarda invece il Bosone di Higgs, questa è “tutta un’altra parrocchia” 😀

    Come esistono le teorie di campo, sono state ideate delle altre teorie dette “quantistiche” con proprietà matematiche diverse. Nel caso dell’elettromagnetismo si è riusciti a tradurre la teoria di campo nel suo equivalente quantistico, ma finora per la gravità questo giochetto non è riuscito. Una caratteristica comune di queste teorie, è di spiegare molto bene fenomeni a piccolissima scala.
    Un’altra caratteristica comune è che il modello matematico che usano introduce per ogni tipo di interazione una particella “mediatrice” dell’interazione (cioè questa avverrebbe con scambi di queste particelle elementari dette “bosoni”).

    Per esempio i fotoni sono le particelle mediatrici dell’interazione elettromagnetica, i bosoni W e Z (quelli per cui Rubbia ha preso il Nobel) sono quelle dell’interazione nucleare debole. La “ricetta” di queste teorie per la gravità, il loro “come”, passa perciò attraverso l’introduzione di una particella mediatrice della gravità, che viene chiamata Bosone di Higgs.

    Tutto questo discorso quindi per dire che, se non si riuscisse a dimostrarne l’esistenza dovremmo quindi cambiare i nostri modelli di teorie quantistiche, ma non quello della Relatività!

    Ci sarebbero molte altre cose da dire, e non ho risposto completamente alla tua domanda, ma per ora ho idea di aver fatto già abbastanza confusione!

  22. Scusate la mia ignoranza ma è possibile che un buco nero sia un tunnel che porterebbe in uno ed unico universo parallelo al nostro formato da altri tipi di dimensioni, e che ci sarebbe uno scambio continuo ed equilibrato fra materia ocura e quella bianca visibile a noi e su cui ci basiamo,mi scuso sempre per la mia ignoranza e di nn poter utilizzare certi termini.