Belloni I buchi neri

1. Auflage 2025
ISBN: 979-12-5501-385-3
Verlag: Pelago
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Italienisch, Band 4, 144 Seiten

Reihe: Lezioni di Fisica

Previsti addirittura nel Settecento, i buchi neri sono ovunque, anche nella nostra galassia, apparentemente quiescenti e incorporei, ma pronti a ingoiare qualsiasi cosa capiti loro a tiro. La materia che vi si avvicina non può che precipitare verso la loro singolarità centrale, dove il tempo si estingue e una massa come quella di milioni o miliardi di Soli si concentra in un punto, con una densità infinita. Gli scienziati hanno cominciato negli ultimi anni a infrangere il mistero che li circonda, così da ottenere sempre più informazioni da essi, trasformandoli anche nell'estremo laboratorio scientifico dell'universo, dove mettere alla prova le teorie più avanzate della fisica per capire cosa accade quando la gravità diventa padrona del mondo mentre tutto il resto si annulla.

Autoren/Hrsg.

Belloni, Tomaso

Leseproben

La lezione

Nell’immaginario collettivo i buchi neri sono sinonimo di complessità, eppure si tratta degli oggetti più semplici dell’universo, dato che possono essere completamente descritti da tre numeri, uno dei quali (la sua carica elettrica) nell’universo reale è quasi certamente zero. La semplicità però finisce con quei tre numeri (come vedremo gli altri due sono la massa e la rotazione). La teoria che li prevede, la relatività generale di Einstein, è sicuramente complessa, come lo sono tutti gli effetti che osserviamo o potremmo osservare relativi alla presenza di un buco nero.

Si tratta di corpi celesti affascinanti che sono emersi come una conseguenza estrema della relatività generale e che negli ultimi cinquant’anni sono stati osservati, o meglio, la loro presenza è stata osservata sia nella nostra galassia sia in galassie lontane.

Nella nostra galassia, la nascita dell’astrofisica delle alte energie ci ha condotto alla scoperta di enigmatiche sorgenti che emettono radiazioni X e gamma così intense da poter essere interpretate come estrazioni di energia da un campo gravitazionale. Sappiamo ora che si tratta di sistemi binari contenenti una stella normale, per quanto si possa essere normali nelle vicinanze di un buco nero, e un oggetto collassato originato da un’esplosione di supernova.

L’emissione X proviene dalla materia strappata alla stella compagna che prima di cadere oltre l’orizzonte del buco nero si scalda ed emette radiazione, formando una struttura di materia molto complessa e ancora da comprendere completamente. Parte del gas però, in virtù di un processo ancora quasi del tutto sconosciuto, una volta raggiunta la vicinanza dell’orizzonte degli eventi, attraversato il quale non si può più tornare indietro, riesce a sfuggire al sistema sotto forma di getti molto stretti, allontanandosi a una velocità vicina a quella della luce.

Sistemi simili, ma milioni di volte più potenti, sono costituiti dai nuclei galattici attivi, dove il buco nero supermassiccio al centro della galassia divora gas e stelle nelle vicinanze in un modo molto simile, anche se su scale e tempi molto diversi, rendendo l’universo un posto ben poco tranquillo, se al centro di ogni galassia c’è un buco nero che magari ora “dorme,” ma domani potrebbe ricominciare a trangugiare gas e a emettere radiazioni di alta energia.

La nostra galassia ad esempio ha al centro uno di questi buchi neri dormienti, che però non è sempre stato dormiente e non lo sarà per sempre. In altre galassie potrebbero anche esistere buchi neri di massa intermedia pronti ad iniziare un nuovo pasto e diventare osservabili dai nostri telescopi per raggi X sempre più sensibili e sofisticati.

Nelle pagine seguenti vedremo da dove proviene l’idea di buco nero e come si è evoluta nel tempo, che cosa sono i buchi neri, come abbiamo fatto a trovarli e come li osserviamo oggi dentro e fuori la nostra galassia, per chiudere con una panoramica sugli sviluppi che ci possiamo aspettare per il futuro grazie agli avanzamenti tecnologici che ci permettono di esplorare sempre più in dettaglio il nostro universo.

UN PO’ DI STORIA

La storia del concetto di buco nero è lunga e interessante. È costituita da molti passi, quasi tutti dapprima ignorati e poi osteggiati dalla maggioranza dei fisici e degli astronomi. Anche oggi l’idea che possano esistere nell’universo oggetti la cui struttura interna, per definizione, non può essere conosciuta e all’interno dei quali c’è un punto dove le leggi della fisica non si applicano non è accettata da tutti. È importante quindi fare una panoramica di come si sia arrivati ai giorni nostri per poter inserire nel giusto contesto le notizie su nuove scoperte teoriche e osservative sui buchi neri che appaiono regolarmente sulla stampa.

La storia dei buchi neri comincia nel 1783 in Inghilterra, quando il reverendo John Michell presenta un suo lavoro alla Royal Society di Londra in cui parla di “stelle scure”. Nel secolo precedente Sir Isaac Newton aveva proposto che la luce fosse composta di particelle per spiegarne le proprietà osservate. Ora sappiamo che le particelle elementari, inclusi i fotoni che compongono la luce, hanno una dualità onda-particella e quindi le cose sono ben più complesse, ma la teoria corpuscolare aveva i suoi meriti.

L’idea di Michell è una conseguenza diretta di questa teoria: se la luce emessa da una stella è composta di particelle, queste ultime saranno soggette all’attrazione gravitazionale della stella stessa e quindi verranno da questa rallentate.

La prima conseguenza è che sarebbe possibile misurare la massa della stella misurando, appunto, il rallentamento delle particelle luminose (che allora naturalmente non si chiamavano fotoni, termine coniato nel Ventesimo secolo). La seconda, più intrigante, è che se la massa della stella è sufficientemente grande rispetto alla sua dimensione, la velocità necessaria per sfuggire alla sua forza gravitazionale supera quella della luce e quindi, non potendo emettere luce, la stella non può che apparire scura.

Nello stesso modo in cui un razzo che non raggiunge la velocità di fuga dalla Terra (che alla superficie è di circa 11 chilometri al secondo) è destinato a ricaderci, le particelle luminose non riuscirebbero a sfuggire. Per avere la velocità di fuga superiore a quella della luce una stella deve essere molto piccola. Nel caso di una stella con la massa del Sole, questa dovrebbe avere un raggio minore di 18,5 chilometri. Non solo, Michell propone che l’unico modo per osservare una “stella scura” sia quello di cercare una stella che si comporti come fosse membro di un sistema binario senza che si possa vedere la compagna scura. Nonostante la fisica che conosciamo ora sia molto più complessa (ne parleremo più avanti), l’idea generale è essenzialmente corretta e, come vedremo più avanti, il modo con cui osserviamo la presenza di buchi neri è proprio quello pensato da Michell.

Qualche anno dopo, nel 1796, la stessa idea viene presentata da Pierre-Simon de Laplace, un nome ben più conosciuto ai giorni nostri, nel suo libro , ma essenzialmente fu dimenticata fino al XX secolo. Infatti nel 1801 viene scoperta la natura ondulatoria della luce e l’idea di un’influenza della gravità sulla luce diventa difficilmente proponibile. Lo stesso Laplace rimuove ogni menzione a quest’idea nella terza edizione del suo libro.

Dobbiamo quindi fare un salto fino al 1915, anno in cui Albert Einstein, nome ai giorni nostri conosciuto da tutti, presenta all’Accademia Prussiana delle Scienze le sue equazioni di campo, che indicano che la geometria dello spazio-tempo è modificata dalla presenza della materia. Nasce la relatività generale, dieci anni dopo la relatività speciale. Attenzione però: Einstein pubblica le sue equazioni di campo, ma una cosa è scoprire le equazioni e una cosa è risolverle, soprattutto se si tratta di equazioni piuttosto complesse; giusto per dare un’idea eccole nella loro elegante forma tensoriale.

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