Seleziona una pagina

Buchi neri

 

La forza gravitazionale, di tutte le forze della natura, è la più debole, per quanto debole possa essere, la gravità governa l’intero Universo.

All’orizzonte degli eventi, la luce è piegata in un anello perfetto attorno al buco nero, il che significa che se ti fermassi lì sarebbe in grado di vedere la parte posteriore della tua testa.

Le osservazioni forniscono anche uno dei test più rigorosi finora della teoria della relatività generale di Einstein: ciò prevede una forma arrotondata dell’alone del buco nero.

Parlando in modo approssimativo, un buco nero è una regione dello spazio che ha così tanta massa concentrata in esso che non c’è modo per un oggetto vicino di sfuggire alla sua attrazione gravitazionale.

Poiché la nostra migliore teoria della gravità al momento è la teoria della relatività generale di Einstein, dobbiamo approfondire alcuni risultati di questa teoria per comprendere i buchi neri in dettaglio, ma iniziamo lentamente, pensando alla gravità in circostanze abbastanza semplici.

Supponiamo di essere in piedi sulla superficie di un pianeta. Lanciamo una pietra dritta in aria. Supponendo che non lo lanciamo troppo forte, aumenterà per un po ‘, ma alla fine l’accelerazione dovuta alla gravità del pianeta farà ricominciare a cadere.

Se lanciassi la roccia abbastanza forte, però, potresti farla sfuggire completamente alla gravità del pianeta. Continuerebbe ad aumentare per sempre. La velocità con cui è necessario lanciare la roccia in modo che sfugga appena alla gravità del pianeta è chiamata “velocità di fuga”. Come ci si aspetterebbe, la velocità di fuga dipende dalla massa del pianeta: se il pianeta è estremamente massiccio, la sua gravità è molto forte e la velocità di fuga è alta.

Un pianeta più leggero avrebbe una velocità di fuga minore. La velocità di fuga dipende anche da quanto siete lontani dal centro del pianeta: più siete vicini, maggiore è la velocità di fuga. La velocità di fuga della Terra è di 11 chilometri al secondo, mentre quella della Luna è di soli 2,5 chilometri al secondo.

Ora immaginiamo un oggetto con una concentrazione di massa così enorme in un raggio così piccolo che la sua velocità di fuga fosse maggiore della velocità della luce. Quindi, poiché nulla può andare più veloce della luce, nulla può sfuggire al campo gravitazionale dell’oggetto.

Perfino un raggio di luce sarebbe tirato indietro per gravità e non sarebbe in grado di scappare.

Nella relatività generale, la gravità è una manifestazione della curvatura dello spaziotempo. Oggetti voluminosi distorcono lo spazio e il tempo, in modo che le solite regole della geometria non si applichino più.

Vicino a un buco nero, questa distorsione dello spazio è estremamente grave e fa sì che i buchi neri abbiano alcune proprietà molto strane. In particolare, un buco nero ha qualcosa chiamato “orizzonte degli eventi”.

Questa è una superficie sferica che segna il confine del buco nero. Puoi passare attraverso l’orizzonte, ma non puoi uscire. In effetti, una volta che hai attraversato l’orizzonte, sei condannato a spostarti inesorabilmente sempre più vicino alla “singolarità” al centro del buco nero.

Puoi pensare all’orizzonte come al luogo in cui la velocità di fuga è uguale alla velocità della luce. Al di fuori dell’orizzonte, la velocità di fuga è inferiore alla velocità della luce, quindi se spari i tuoi razzi abbastanza forte, puoi darti abbastanza energia per scappare. Ma se ti trovi all’interno dell’orizzonte, quindi non importa quanto siano potenti i tuoi missili, non puoi scappare.

L’orizzonte ha alcune proprietà geometriche molto strane. Per un osservatore che è seduto ancora da qualche parte lontano dal buco nero, l’orizzonte sembra essere una superficie sferica piacevole, statica, immobile.

Ma una volta che ti avvicini all’orizzonte, ti rendi conto che ha una velocità molto grande. In effetti, si sta muovendo verso l’esterno alla velocità della luce! Questo spiega perché è facile attraversare l’orizzonte verso l’interno, ma impossibile tornare indietro.

Poiché l’orizzonte si sta allontanando alla velocità della luce, per fuggire attraverso di esso, dovresti viaggiare più veloce della luce. Non puoi andare più veloce della luce e quindi non puoi scappare dal buco nero.

Quanto è grande un buco nero?

Esistono almeno due modi diversi per descrivere quanto è grande qualcosa. Possiamo dire quanta massa ha, oppure possiamo dire quanto spazio occupa. Parliamo prima delle masse di buchi neri.

In linea di principio non c’è limite alla quantità o alla quantità di massa che può avere un buco nero. In linea di principio, qualsiasi quantità di massa può essere fatta per formare un buco nero se lo comprimi ad una densità abbastanza alta.

La maggior parte dei buchi neri che sono effettivamente là fuori siano stati prodotti nella morte di stelle enormi, e quindi ci aspettiamo che quei buchi neri pesino circa quanto una stella massiccia. Una massa tipica per un buco nero così stellare sarebbe circa 10 volte la massa del Sole, o circa 10 31 chilogrammi( 10 31 significa un 1 con 31 zero dopo di esso).

Gli astronomi sospettano anche che molte galassie nascondano buchi neri estremamente massicci nei loro centri. Si pensa che pesino circa un milione di volte tanto quanto il Sole, ovvero 1036 chilogrammi.

Più un buco nero è enorme, più spazio occupa. In effetti, il raggio di Schwarzschild (che significa il raggio dell’orizzonte) e la massa sono direttamente proporzionali tra loro: se un buco nero pesa dieci volte tanto quanto un altro, il suo raggio è dieci volte più grande.

Un buco nero con una massa pari a quella del Sole avrebbe un raggio di 3 chilometri. Quindi un tipico buco nero con 10 masse solari avrebbe un raggio di 30 chilometri e un buco nero con 1 milione di masse solari al centro di una galassia avrebbe un raggio di 3 milioni di chilometri. Tre milioni di chilometri possono sembrare molti, ma in realtà non è così grande per gli standard astronomici.

Il Sole, ad esempio, ha un raggio di circa 700.000 chilometri, e quindi il buco nero supermassiccio ha un raggio solo circa quattro volte più grande del Sole.

Cosa  succederebbe se cadessi in un buco nero?

Supponiamo che  entriamo nella astronave e la puntiamo direttamente verso il buco nero di massa solare al centro della nostra  galassia  (Sagetarius A).

Partendo da molto lontano dal buco nero, spegniamo i motori e costeggiamo. Cosa succede?

All’inizio non senti alcuna forza gravitazionale. Dato che sei in caduta libera, ogni parte del tuo corpo e la tua astronave vengono tirati allo stesso modo, e quindi ti senti senza peso.

Questa è esattamente la stessa cosa che succede agli astronauti nell’orbita terrestre: anche se entrambi gli astronauti e la navetta spaziale vengono trainati dalla gravità terrestre, non avvertono alcuna forza gravitazionale perché tutto viene tirato esattamente allo stesso modo.

Mentre ti avvicini sempre più al centro del buco, però, inizi a sentire forze gravitazionali “di marea”. Immagina che i tuoi piedi siano più vicini al centro della tua testa. L’attrazione gravitazionale diventa più forte man mano che ti avvicini al centro del buco, quindi i tuoi piedi sentono un’attrazione più forte della tua testa.

Di conseguenza ti senti “allungato”.

Per un buco nero molto grande come quello in cui stiamo cadendo, le forze di marea non sono davvero evidenti fino a quando non ci troviamo a circa 600.000 chilometri dal centro. Nota che questo è dopo che hai attraversato l’orizzonte.

Se cadessi in un buco nero più piccolo, diciamo uno che pesava tanto quanto il Sole, le forze di marea inizierebbero a metterti a disagio quando eri a circa 6000 chilometri dal centro, e saresti stato dilaniato da loro a lungo prima di attraversare l’orizzonte.

Cosa vedi mentre cadi? Sorprendentemente, non vedi necessariamente nulla di particolarmente interessante. Le immagini di oggetti lontani possono essere distorte in modi strani, poiché la gravità del buco nero piega la luce, ma questo è tutto.

In particolare, non succede nulla di speciale nel momento in cui attraversi l’orizzonte. Anche dopo aver attraversato l’orizzonte, puoi ancora vedere le cose all’esterno: dopo tutto, la luce delle cose all’esterno può ancora raggiungerti. Nessuno all’esterno può vederti, ovviamente, poiché la luce da te non può sfuggire oltre l’orizzonte.

Quanto dura l’intero processo? Beh, ovviamente, dipende da quanto lontano abbiamo iniziato. Diciamo che hai iniziato a riposo da un punto la cui distanza dalla singolarità è dieci volte il raggio del buco nero.

Quindi, per un buco nero di massa solare, ci vogliono circa 7 minuti per raggiungere l’orizzonte. Una volta arrivato così lontano, ci vogliono solo altri 6 secondi per colpire la singolarità. A proposito, questa volta si ridimensiona con le dimensioni del buco nero, quindi se tu fossi saltato in un buco nero più piccolo, il tuo momento della morte sarebbe molto prima.

Una volta che hai attraversato l’orizzonte, nei tuoi 6 secondi rimanenti, potresti farti prendere dal panico e iniziare a accendere i motori nel disperato tentativo di evitare la singolarità. Sfortunatamente, è senza speranza, poiché la singolarità sta nel tuo futuro e non c’è modo di evitare il tuo futuro. In effetti, più forte acceleri, prima colpisci la singolarità. È meglio solo sedersi e godersi il viaggio.

Una persona molto lontana vede le cose in modo molto diverso da te. Man mano che ti avvicini sempre più all’orizzonte, ti vede muoversi sempre più lentamente. In realtà, non importa quanto tempo aspetta, non ti vedrà mai completamente raggiungere l’orizzonte.

In effetti, si può dire più o meno la stessa cosa sul materiale che ha formato il buco nero in primo luogo. Supponiamo che il buco nero si sia formato da una stella che sta crollando.

Mentre il materiale che deve formare il buco nero collassa, la persona lontana lo vede diventare sempre più piccolo, avvicinandosi ma non raggiungendo mai del tutto il suo raggio di Schwarzschild.

Questo è il motivo per cui i buchi neri erano originariamente chiamati stelle congelate: perché sembrano “congelarsi” a una dimensione leggermente più grande del raggio di Schwarzschild.

Perché vede le cose in questo modo? Il modo migliore per pensarci è che è davvero solo un’illusione ottica. In realtà non ci vuole una quantità infinita di tempo per formare il buco nero, e non ci vuole davvero una quantità infinita di tempo per attraversare l’orizzonte.

Mentre ti avvicini sempre di più all’orizzonte, la luce che stai l’emissione impiega sempre più tempo a risalire per raggiungere le persone lontane. In effetti, la radiazione che emetti quando attraversi l’orizzonte rimarrà per sempre lì all’orizzonte e non la raggiungerà mai. Sei già passato dall’orizzonte, ma il segnale luminoso le dice che non la raggiungerà per un tempo infinitamente lungo.

C’è un altro modo di esaminare l’intera faccenda. In un certo senso, il tempo passa davvero più lentamente vicino all’orizzonte di quanto non faccia lontano. Supponi di prendere la tua navicella spaziale e di scendere fino a un punto appena fuori dall’orizzonte, e poi rimani lì per un po’. Poi ritorni fuori e raggiungi la persona lontana. Scoprirai che è invecchiata molto più di te durante l’intero processo; il tempo è passato più lentamente per te che per lei.

Quindi quale di queste due spiegazioni (quella dell’illusione ottica o quella del rallentamento del tempo) ha davvero ragione? La risposta dipende dal sistema di coordinate utilizzato per descrivere il buco nero.

Secondo il solito sistema di coordinate, chiamato “coordinate di Schwarzschild”, si attraversa l’orizzonte quando la coordinata temporale t è infinita. Quindi in queste coordinate ti ci vuole davvero un tempo infinito per attraversare l’orizzonte. Ma la ragione è che le coordinate di Schwarzschild forniscono una visione altamente distorta di ciò che sta accadendo vicino all’orizzonte.

In effetti, proprio all’orizzonte le coordinate sono infinitamente distorte (o, per usare la terminologia standard, “singolare”). Se scegli di utilizzare coordinate non singolari vicino all’orizzonte, allora scopri che il momento in cui attraversi l’orizzonte è effettivamente finito, ma il tempo in cui la persona lontana ti vede attraversare l’orizzonte è infinito.

La radiazione impiegò un tempo infinito per raggiungerla. In effetti, tuttavia, è consentito utilizzare uno dei due sistemi di coordinate, quindi entrambe le spiegazioni sono valide. Sono solo modi diversi di dire la stessa cosa.

In pratica, diventerai effettivamente invisibile alla persona lontana prima che sia trascorso troppo tempo. Per prima cosa, la luce viene “spostata in rosso” a lunghezze d’onda più lunghe mentre si alza dal buco nero.

Quindi, se si sta emettendo luce visibile a una determinata lunghezza d’onda,la persona lontana da te vedrà la luce a una lunghezza d’onda più lunga. Le lunghezze d’onda diventano sempre più lunghe man mano che ti avvicini sempre di più all’orizzonte.

Alla fine, non sarà affatto luce visibile: saranno radiazioni infrarosse, quindi onde radio. Ad un certo punto le lunghezze d’onda saranno così lunghe che non sarà in grado di osservarle. Inoltre, ricorda che la luce viene emessa in singoli pacchetti chiamati fotoni. Supponiamo che stai emettendo fotoni mentre cadi oltre l’orizzonte.

Ad un certo punto, emetterai il tuo ultimo fotone prima di attraversare l’orizzonte. Quel fotone raggiungerà la persona lontana a un certo momento – in genere meno di un’ora per quel buco nero di massa solare – e dopo non sarà più in grado di vederti. (dopo tutto, nessuno dei fotoni che emetti “dopo” che attraversi l’orizzonte potrà mai raggiungerla).

Pin It on Pinterest

Share This