Il buco nero, la sua luce e la sua ombra

[tino77]

Chiedo lumi riguardo un articolo che è stato pubblicato su Le scienze di novembre, dove si parla appunto di buchi neri.
Nell'articolo si afferma che la materia che precipita nell'orizzonte degli eventi viene compressa a tal punto da generare una fortissima luminosità. Si descrive poi l'ombra che il buco nero genera in questo vortice di materia compressa.
Ricopio una parte dell'articolo.

"Per definizione, qualunque luce superi l'orizzonte degli eventi non tornerà più indietro. Bardeen identificò il punto all'esterno dell'orizzonte in cui il fotone rimane in orbita attorno al buco nero. Se un raggio di luce attraversa questa orbita diretto verso l'interno, verrà catturato per sempre [...]. I raggi di luce che nascono tra l'orizzonte degli eventi e questa orbita possono sfuggire, ma devono essere diretti radialmente verso l'esterno; in caso contrario rischiano di essere catturati dalla gravità del BN [...]. Questo confine è detto "orbita del fotone". Per quanto riguarda la luce, il BN si comporta come un oggetto opaco il cui limite è descritto dall'orbita del fotone. Il contrasto tra l'anello brillante di quest'orbita e l'interno più fioco è quello che definiamo "ombra"."

Concettualmente lo comprendo. L'articolo mi ha però lasciato dei dubbi, più che altro a livello di visualizzazione di quello che vedrei osservando un BN.

Prendiamo ad esempio il modello di Sagittarius A*, che appare visivamente così:
14555
La luminescenza che lo circonda è materia ionizzata. In questo modello -visivamente- qual è l'orbita del fotone, e qual è l'ombra del buco nero?

Per come lo interpreto io l'orbita del fotone è visibile nel gap che è raffigurato tra la materia ionizzata e la parte opaca del BN, che io interpreto come orizzonte degli eventi. E' corretto questo?
L'ombra del BN è quell'alone scuro che circonda il BN all'interno di questo gap?
Oppure è proprio l'opacità rotonda che vedo frontalmente guardando l'immagine? (Cioè, se non ci fosse l'ombra vedrei tutta la materia che avvolge il BN che brilla -simile ad una stella- mentre invece vedo la sua ombra rotonda.)

[Enrico Corsaro]

"Per definizione, qualunque luce superi l'orizzonte degli eventi non tornerà più indietro. Bardeen identificò il punto all'esterno dell'orizzonte in cui il fotone rimane in orbita attorno al buco nero. Se un raggio di luce attraversa questa orbita diretto verso l'interno, verrà catturato per sempre [...]. I raggi di luce che nascono tra l'orizzonte degli eventi e questa orbita possono sfuggire, ma devono essere diretti radialmente verso l'esterno; in caso contrario rischiano di essere catturati dalla gravità del BN [...]. Questo confine è detto "orbita del fotone". Per quanto riguarda la luce, il BN si comporta come un oggetto opaco il cui limite è descritto dall'orbita del fotone. Il contrasto tra l'anello brillante di quest'orbita e l'interno più fioco è quello che definiamo "ombra"."

Concettualmente lo comprendo. L'articolo mi ha però lasciato dei dubbi, più che altro a livello di visualizzazione di quello che vedrei osservando un BN.

Prendiamo ad esempio il modello di Sagittarius A*, che appare visivamente così:
14555
La luminescenza che lo circonda è materia ionizzata. In questo modello -visivamente- qual è l'orbita del fotone, e qual è l'ombra del buco nero?




Per come lo interpreto io l'orbita del fotone è visibile nel gap che è raffigurato tra la materia ionizzata e la parte opaca del BN, che io interpreto come orizzonte degli eventi. E' corretto questo?

L'ombra del BN è quell'alone scuro che circonda il BN all'interno di questo gap?

L'orbita del fotone è il limite ultimo da cui è possibile vedere i fotoni. Nella figura è rappresentata da un sottilissimo anello circolare visibile al di sotto di tutta la regione in cui viene emessa luce. L'ombra è invece tutta la zona non più visibile (scura) all'interno di questo anello e che sostanzialmente rappresenta l'orizzonte degli eventi. In realtà la regione luminosa apparirà anch'essa affievolita, a causa del redshift gravitazionale che a quei livelli è molto intenso. La luce apparirà cioè estremamente arrossata.



Oppure è proprio l'opacità rotonda che vedo frontalmente guardando l'immagine? (Cioè, se non ci fosse l'ombra vedrei tutta la materia che avvolge il BN che brilla -simile ad una stella- mentre invece vedo la sua ombra rotonda.)
Esatto questo è giusto ;)

[tino77]

Grazie per aver risposto.


L'ombra è invece tutta la zona non più visibile (scura) all'interno di questo anello e che sostanzialmente rappresenta l'orizzonte degli eventi.

Da quello che c'è scritto nell'articolo l'ombra non corrisponde all'orizzonte degli eventi, ma è una zona intermedia tra l'orizzonte e l'orbita del fotone. :confused:

[Enrico Corsaro]

Non corrisponde formalmente, ma di base non puoi più distinguere dov'è l'ombra e dov'è l'orizzonte degli eventi. In pratica l'ombra rappresenta una corona sferica con un raggio che va da 1 raggio Schwarzschild a 3/2 di raggio di Schwarzschild. L'orizzonte degli eventi è in ogni caso impossibile da visualizzare e rappresentare, anche in una rappresentazione grafica realizzata al computer.

[tino77]

Grazie, ora ho compreso.

Mi puoi spiegare perché nell'immagine che ho allegato c'è un gap tra l'orbita del fotone e il materiale ionizzato? Perché non è continuo il flusso di materiale verso l'orizzonte degli aventi?

[Enrico Corsaro]

Grazie, ora ho compreso.

Mi puoi spiegare perché nell'immagine che ho allegato c'è un gap tra l'orbita del fotone e il materiale ionizzato? Perché non è continuo il flusso di materiale verso l'orizzonte degli aventi?

Questo è un pò più complesso da spiegare. Di base l'immagine che hai inserito è quella che viene definita una osservazione ad infinito, cioè una immagine di un BH immaginando di averlo osservato per un tempo infinitamente lungo, non è dunque una immagine reale di come vedresti un buco nero. Come ti dicevo, quella zona di ionizzazione sarebbe in realtà una zona quasi scura, a causa del fortissimo effetto di arrossamento causato dalla gravitazione.
In ogni caso, l'anello toroidale di materia ionizzata viene spiegato tramite modelli idrodinamici e che incorporano effetti aggiuntivi come il raffreddamento per emissione da raggi X, l'effetto Compton inverso e la radiazione di sincrotrone. In base alla combinazione di questi differenti processi, si ottiene un picco di emissione di radiazione nel disco di accrescimento che è localizzato non esattamente a ridosso della zona ombrata, ma più esternamente. Di fatto ciò che accade è che man mano che si procede verso l'orizzonte, la materia perde sempre più energia, divenendo ad un certo punto quasi del tutto invisibile ai nostri occhi (non emette più radiazione cioè). Il punto in cui la maggior parte dell'energia viene perduta è quello che corrisponde alla fascia dove osservi la materia ionizzata.

Spero di essermi spiegato :).

[tino77]

Ti sei spiegato, grazie! Diciamo che a grandi linee ho compreso, i dettagli tecnici mi sfuggono ma va bene così ;)
Ora però con questo...

viene definita una osservazione ad infinito, cioè una immagine di un BH immaginando di averlo osservato per un tempo infinitamente lungo, non è dunque una immagine reale di come vedresti un buco nero
...hai aperto un altro capitolo. :)
Come lo vedrei un buco nero realmente? Hai già scritto che la luce viene arrossata nei pressi dell'orizzonte. A parte questo, cosa cambierebbe rispetto all'immagine del modello SgrA*?

[Enrico Corsaro]

Avevamo parlato tempo fa di questo ma non riesco a trovare il post. Comunque ecco qui una immagine presa dall'articolo originale che trovi QUI (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0264-9381/32/6/065001/pdf).

Così come nel film interstellar, il BH viene rappresentato con un brillantissimo toroide in movimento.
In realtà il rendering originale della simulazione è molto molto meno luminoso, una sorta di penombra.

14562
Il caso a) è quello sostanzialmente detto ad infinito, e più soddisfacente da un punto di vista visivo. Il caso c è invece quello più realistico. Come vedi il disco è molto oscurato e da un lato è quasi del tutto buio. L'asimmetria è causata dall'effetto Doppler dovuto alla rotazione del BH.

[tino77]

Grazie Enrico!

[SVelo]

Curiosità da ignorantissima in materia: mi sembra di aver capito che ogni galassia abbia un buco nero al centro, ma in tutte le foto che ho potuto guardare, al centro mi sembra di vedere solo una fortissima luce: perché? Grazie :confused:

[DarknessLight]

È vero che al centro di moltissime galassie esiste un buco nero supermassiccio, ad esempio al centro della Via Lattea esiste un buco nero di 40 milioni di masse solari. Al centro dell Ammasso della fenice esiste addirittura un Buco nero di 20 miliardi di masse solari!
però tieni presente che nelle zone centrali delle galassie esiste un enorme densità stellare che aleggia intorno al buco nero... la luminosità che vedi è dovuta a questa elevatissima densità..
anche perché poi il buco nero massiccio, per quanto possa essere grande, è comuqnue infinitamente più piccolo di una galassia... non riuscirai mai a vederlo ad occhio nudo da una foto...

[Enrico Corsaro]

SVelo, perchè la densità stellare nel centro galattico è talmente elavata da far si che esso contenga la maggior parte della luminosità totale della galassia. Il BH è completamente circondato da miliardi e miliardi di stelle.

[Enrico Corsaro]

Ops Darkness, non avevo visto la tua risposta ;).