SELECT

Curiosità Spaziali: Buchi Neri

di Drugo | SB214 17—Apr—2011 / 1:38 AM

Buonasera astronerds!
Con sommo gaudio e tripudio ritorna Curiosità Spaziali!
Stasera violeremo la privacy di alcuni loschi figuri che si aggirano per l’universo:
I Buchi Neri.

1_ Nella relatività generale si definisce buco nero un corpo celeste estremamente denso, dotato di un’attrazione gravitazionale talmente elevata da non permettere l’allontanamento di alcunché dalla propria superficie.
Questa condizione si ottiene quando la velocità di fuga dalla sua superficie è superiore alla velocità della luce. Un corpo celeste con questa proprietà risulterebbe invisibile e la sua presenza potrebbe essere rilevata solo indirettamente, tramite gli effetti del suo intenso campo gravitazionale.

2_ Il termine “buco nero” è dovuto al fisico John Archibald Wheeler, in precedenza si parlava di dark star o black star ~~o Death Star~~.
Il termine dark star venne inventato da John Michell, che in uno scambio epistolare con Henry Cavendish teorizzò l’esistenza di corpi celesti dotati di una velocità di fuga superiore a quella della luce.
Sembra una cosa da poco nevvero?
Pensate però che quelle lettere risalgono al 1783.

3_ Alzi la mano chi sa qual è il limite per le dimensioni di un buco nero.
Uhm, vi vedo titubanti.
Vabbè, ve lo dico io, la risposta esatta è: dipende.
Come detto prima un buco nero è un oggetto talmente denso da avere un campo gravitazionale eccezionalmente forte, e densità è la parola chiave.
La densità è -per i profani- quanta massa c’è in un determinato spazio e si misura in kg/m³.
Grazie agli studi di Karl Schwarzschild e Albert Einstein sappiamo che in teoria qualunque oggetto può diventare un buco nero, basta che si riduca oltre il suo raggio di Schwarzschild.
Cerco di rendervi comprensibile questo concetto.
Abbiamo un corpo con una data massa e date dimensioni, se riduciamo le sue dimensioni ma non la massa la sua densità aumenterà, così come la sua velocità di fuga. Se continuiamo abbastanza a lungo arriveremo a un punto in cui il suo campo gravitazionale sarà abbastanza forte da intrappolare anche la luce. Questo punto è il raggio di Schwarzschild.
Per farvi alcuni esempi il Sole ha un raggio di S. pari a 3 km, quello della Terra è pari a 9 mm e si è calcolato che quello del buco nero supermassiccio situato al centro della nostra Galassia è pari a circa 7,8 milioni di km.
Un buco nero, però, sarà sempre più piccolo del suo raggio di Schwarzschild, dato che la sua immensa forza di gravità lo porterà a comprimersi ancora di più.

4_ Un buco nero si può formare in tre modi.
La formazione più famosa è quella della supernova, una stella -con massa almeno tripla rispetto a quella del Sole- che alla fine della sua vita espelle violentemente i suoi strati più esterni per poi collassare su se stessa fino a diventare un buco nero.
Si possono formare anche da un sistema binario nel quale una stella di neutroni può rubare massa alla sua vicina fino a superare la massa critica -o massa di Chandrasekhar- e collassare. Alcuni indizi suggeriscono che questo meccanismo di formazione sia più frequente di quello “diretto” della stella morente.
Oppure se un oggetto viene sottoposto ad una forza sufficientemente grande esso potrebbe ridursi oltre il suo raggio di Schwarzschild. Le condizioni necessarie potrebbero essersi verificate nel primo periodo di vita dell’universo, quando la sua densità media era ancora molto alta, a causa di variazioni di densità o di onde di pressione.

5_ Ultimamente si sta mettendo in discussione il fatto che i buchi neri siano tutti dei buchi neri.
Per farla semplice molti studiosi di fisica quantistica affermano che molti oggetti che riteniamo essere dei buchi neri siano in realtà un’altra cosa.
Essi basano le loro critiche su tre paradossi della fisica relativistica:
Singolarità: nei buchi neri classici (previsti dalla relatività generale) tutta la materia è concentrata in un punto (singolarità) di densità infinita. Questo suggerisce che la teoria non sia valida in questo punto, in quanto prevede una grandezza infinita. Probabilmente la relatività generale sbaglia in questo punto in quanto non considera gli effetti quantistici a scala microscopica. Per superare questo paradosso si sta tentando di creare una teoria quantistica della gravità, detta gravità quantistica.
Perdita delle informazioni: secondo Stephen Hawking, i buchi neri evaporerebbero molto lentamente fino a scomparire del tutto, emettendo radiazione di Hawking. Ciò genera però il paradosso della perdita di informazioni. Un buco nero contiene infatti delle informazioni contenute nella materia da esso inghiottita. Evaporando emette la radiazione di Hawking che però non trasporta informazioni. Di conseguenza quando il buco nero evaporerà completamente, tutte le informazioni in esso contenute scompariranno nel nulla e ciò viola il principio dell’unitarietà, che sostiene che l’informazione non può essere distrutta.
Sono inosservabili: dato che per definizione i buchi neri impediscono anche alla luce di sfuggire alla loro gravità noi non possiamo vederli direttamente, possiamo solo ipotizzare che si trovino -ed esistano- in un dato punto in base a come influenzano lo spazio e la materia che li circonda. Di norma si avvistano grazie ai dischi di accrescimento formati da materia strappata a stelle vicine a loro, oppure grazie a un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Per farla breve, se non possiamo neanche vederli come possiamo dire che siano fatti realmente così?

6_ Nel corso del tempo molte teorie hanno cercato di spiegare come siano fatti realmente i buchi neri.
Vediamo le teorie principali e come differiscano tra di loro.

Buco nero di Schwarzschild.
È la soluzione più semplice, in quanto riguarda oggetti non rotanti e privi di carica elettrica, ma è anche piuttosto improbabile nella realtà, poiché un oggetto dotato anche di una minima rotazione, una volta contratto in buco nero deve aumentare enormemente la sua velocità angolare in virtù del principio di conservazione del momento angolare.

Buco nero di Kerr.
Deriva da oggetti rotanti e privi di carica elettrica, caso che presumibilmente corrisponde alla situazione reale. Buco nero risultante dal collasso di una stella in rotazione nel quale la singolarità non è più un punto, ma, a causa della rotazione, assume la forma di un anello. Per questa ragione si formeranno non uno ma due orizzonti degli eventi distinti. La rotazione del buco nero fa si che si formi la cosiddetta ergosfera. Questa è la zona immediatamente circostante all’orizzonte esterno causata dall’intenso campo gravitazionale dove lo spaziotempo oltre ad essere curvato entra in rotazione trascinato dalla rotazione del buco nero come un gigantesco vortice.

Buco nero di Kerr-Newman.
Riguarda la situazione in cui si ha sia rotazione che carica elettrica, ed è la soluzione più generale. Si noti che in tale situazione lo spazio tempo non sarà asintoticamente piatto, a causa della presenza del campo elettromagnetico.

Buco nero di Reissner-Nordström
È il caso di un buco nero dotato di carica elettrica ma non rotante. Valgono le stesse considerazioni fatte sul buco nero di Kerr-Newman a proposito del comportamento asintotico.

7_ Come è stato detto prima molti fisici quantistici si trovano in disaccordo con il concetto standard di buco nero.
Vediamo di seguito alcuni “sostituti quantistici” proposti:

Stella nera
Una stella nera è un ipotetico tipo di stella, simile per molti aspetti a un buco nero, la cui esistenza è stata ipotizzata recentemente da alcuni scienziati (Carlos Barcelò, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego e Matt Visser) i quali hanno messo in dubbio l’esistenza dei buchi neri.
Ora secondo i succitati scienziati i corpi celesti identificati come buchi neri dagli astronomi tramite osservazione indiretta non sarebbero buchi neri ma un altro tipo di stella, una “stella nera”. Infatti alcuni effetti quantistici potrebbero arrestare la formazione di un buco nero e generare invece una stella nera priva di orizzonte degli eventi. Le stelle nere sarebbero tuttavia abbastanza dense da provocare molti degli effetti associati ai buchi neri.

Gravastar
In astrofisica, la teoria delle gravastars (GRAvitational VAcuum STAR-stella di vuoto gravitazionale) è stata proposta da Pawel Mazur e Emil Mottola, come alternativa al modello dei buchi neri. Contro l’idea di una stella che collassa fino a divenire un oggetto di densità infinita, generando una singolarità nello spazio-tempo, la teoria delle gravastar afferma che, quando un oggetto va incontro a collasso gravitazionale, nella regione di spazio in cui si trova si determinerebbe una transizione di fase quantistica che argina il collasso definitivo. La stella si trasforma infine in una bolla sferica di vuoto carico di energia oscura. Questa bolla di vuoto denso d’energia è racchiusa da una crosta di materia iperdensa.
La teoria è controversa fra gli astrofisici, poiché il modello delle gravastar richiede che si accetti una concezione alquanto speculativa di un’ipotetica teoria quantistica della gravità, e d’altro canto non presenta alcun vantaggio esplicativo rispetto al modello dei buchi neri. Inoltre, nessuna delle proposte teoriche che si avvicinino a costituire una qualche forma di teoria quantistica della gravità, implica effettivamente che lo spazio debba comportarsi nella maniera indicata da Mottola e Mazur.

Fuzzball
Nel 2002, lo scienziato e astronomo Samir Mathur ha proposto una variante del modello dei buchi neri nel contesto della teoria delle stringhe. In questo modello si prevede che esista una regione di spazio in cui materia e radiazione possono risultare definitivamente intrappolati, come avviene per i buchi neri, ma il confine di tale regione (l’orizzonte degli eventi) non sarebbe una superficie in senso classico, se visto ad una scala microscopica. Per questo modello, quindi, è stato proposto il nome “fuzzball”, ossia “palla pelosa”.

Stella di energia oscura
Una stella di energia oscura è una teoria alternativa ai buchi neri proposta dal fisico George Chapline, del Lawrence Livermore National Laboratory (California, USA).
Questa teoria afferma che la materia quando cade oltre l’orizzonte degli eventi, è convertita in energia del vuoto, o energia oscura. Lo spazio entro l’orizzonte degli eventi finirebbe con l’avere un grande valore della costante cosmologica ed avrebbe una pressione negativa che agisce contro la forza di gravità.
Non ci sarebbero singolarità gravitazionali che vanno a distruggere le informazioni.

8_ La nostra conoscenza dei buchi neri è ancora estremamente limitata.
Basta vedere la grande quantità di teorie relativistiche e quantistiche create per cercare di dare un senso a uno dei fenomeni più misteriosi dell’universo.
Non sappiamo come funzioni la termodinamica in essi, persino la teoria relativistica di Einstein fallisce nel tentare di descrivere l'orizzonte degli eventi.
Anche le teorie quantistiche più nuove e all’avanguardia rimarranno soltanto dei gran viaggioni mentali finché non si troverà il modo di osservare direttamente un buco nero.
In fondo è stato scelto un nome perfetto, essi sono veramente dei buchi talmente oscuri in cui è impossibile capirci qualcosa.

Video
[more]