Grazie a film e libri di fantascienza, i buchi neri sono diventati sinonimo di mistero e distruzione, portali per altri mondi e universi paralleli. Ma è davvero così? In questo articolo vogliamo dare una panoramica delle nostre conoscenze su questi strani oggetti che, dagli anni novanta, sono uno degli argomenti di punta della ricerca astrofisica. In particolare ci concentreremo su quelli detti Buchi Neri Stellari; partiremo dall'evoluzione del concetto di "buco nero", evidenziandone le proprietà e cercheremo di comprenderne il legame con le galassie. Il migliore esempio a noi noto è rappresentato dal buco nero al centro della nostra galassia.
Buchi Neri tra teorie e scoperte
"BH LMC"
"Stelle Oscure"
Il concetto di "buco nero" risale a molto prima di quanto ci si aspetti; alla fine del XVIII secolo, infatti, l'astronomo e geologo John Michell scrisse del concetto di "stella oscura" a Cavendish; in questa lettera suggeriva l'esistenza di stelle così massicce da avere una velocità di fuga maggiore di quella della luce. In questa maniera, nemmeno la luce sarebbe potuta sfuggire alla stella, quindi avrebbe dovuto essere "oscura". Michell aveva anche calcolato la densità ed il raggio di queste stelle: densità del sole e raggio 500 volte superiore.
Anni dopo, apparentemente in maniera indipendente, Laplace descrive le sue teorie sull'origine del sistema solare, osservando che una stella di diametro 250 volte quello del Sole e densità pari a quella terrestre, sarebbe stata così massiccia che la luce non sarebbe potuta fuggire; asseriva quindi l'esistenza di alcuni corpi molto massicci, invisibili a causa della loro grandezza. La prova matematica della loro esistenza fu pubblicata nel 1799.
Nel XIX secolo, il concetto venne abbandonato; prese campo la teoria ondulatoria, quindi la luce non fu più considerata soggetta alla gravità.
Una nuova Teoria
Einstein pubblicò la teoria della Relatività Generale nel 1915; in base a questa teoria, la materia e l'energia determinano la curvatura dello spazio-tempo, cioè determinano la gravità. I fotoni, costituenti fondamentali della radiazione, sono particelle, e quindi seguono la curvatura. Pur non avendo massa, risentono della presenza di oggetti massicci.
L'anno successivo, Schwarzschild trovò la soluzione delle equazioni della relatività generale intorno ad una massa puntiforme. In realtà, nessuno aveva davvero compreso il significato del raggio di Schwarzschild.
Rs=2GM/c2
Rs: raggio di Schwarzschild
G: costante di gravitazione universale
M: massa della stella
c: velocità della luce
Rappresentazione artistica di una pulsar; le linee blu rappresentano il campo elettromagnetico della stella, le aree in viola rappresentano getti di particelle subatomiche.
Nel 1939, dopo la teorizzazione delle stelle di neutroni, gli oggetti più compatti mai ipotizzati, Oppenheimer e Snyder dimostrarono l'esistenza di una massa massima per questo tipo di stelle; in questa maniera non si sarebbe potuto impedire il collasso gravitazionale, quindi non esistevano più processi in grado di impedire ad una massa di condensare entro il raggio di Schwarzschild.
Grazie a queste conoscenze, nel 1958 si riuscì veramente a comprendere il significato di Rs: concentrare una massa in quel raggio produce una distorsione spazio-temporale che impedisce la fuga perfino alla luce.
Nel 1963, infine, il matematico Roy Kerr riuscì a risolvere le equazioni della relatività per una massa ruotante; di nuovo una scoperta che venne compresa solo più tardi e portò ad una distinzione tra buchi neri di Schwarzschild (non ruotanti) e di Kerr (ruotanti).
Le scoperte recenti
Nello stesso anno, Marteen Schmidt cominciò a lavorare sui quasar, sorgenti di onde radio simili a stelle; si ipotizzava che la loro fonte di energia fosse un buco nero [...]
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Ottimo articolo. Un tema particolare che lega la formazione dei buchi neri e’ la rivelazione delle onde gravitazionali che potrebbero fornire informazioni anche sull’esistenza dell’universo. Alcune esperimenti pero’ hanno dimostrato un non collegamento tra buchi neri supermassicci e le onde gravitazionali. L’esperimento Ligo si dice pronto alla rivelazione (particolarmente per supernovae)…chi vivra’ vedra’ 🙂
In realtà l’argomento “onde gravitazionali” è ancora piuttosto…misterioso! Si tratta di ricerche scientifiche all’avanguardia e teorie non del tutto verificate, quindi è probabile che ci siano aggiornamenti in futuro! 😉
Le tecnologie di Virgo e Ligo sono una concentrazione di ingegneria di notevole rilevanza. Dal sistema a specchi alla thermal compensation system, passando per l’analisi dati e il relativo filtraggio. Non sono tanto misteriose, a livello teorico sono descritte da Einstein e a livello pratico ci siamo quasi, vedi anche LISA. Anche le sole antenne gravitazionali hanno verificato l’esistenza di eventi correlati. Quello che conta principalmente e’ minimizzare gli effetti di rumore, il relativo DAQ di per se e’ abbastanza semplice. Certo, il problema sara’ dopo, capirne le caratteristiche e quant’altro, ma questa e’ un’altra storia o meglio il secondo step.
Probabilmente mi sono espressa male; intendevo proprio che ad essere “misteriose” le caratteristiche delle onde gravitazionali. Inoltre (ma potrei sbagliarmi, nel caso correggimi pure 🙂 ) per ora abbiamo solo una conferma indiretta della loro esistenza; perciò sono d’accordo con te… chi vivrà, vedrà! 🙂
È veramente un ottimo articolo che tratta un argomento estremamente interessante e anche (credo) inedito su EOS. Sarebbe, a mio avviso, un’ottima idea approfondirlo spendendo qualche parola anche su quella teoria secondo la quale i buchi neri sarebbero l’ingresso di wormhole (o ponti di Einstein-Rosen) che consentirebbero a chi venisse risucchiato da un buco nero di ritrovarsi in un altro punto dell’universo (buco bianco). Tale argomento si collega a quanto scrissi io nei miei 3 articoli di EOS sui viaggi interstellari riguardo alla possibilità teorica di viaggiare a velocità superluminale deformando lo spazio-tempo.
Ciao Marco!
Mi hai dato uno spunto interessante! Ci penserò! 😉