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03.03.2021

Alla scoperta dei buchi neri

 

 

 

Un buco nero è un oggetto all’interno del quale la forza di gravità è talmente intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggirvi. Dato che non emettono radiazione, sono oggetti difficili da osservare: gli astronomi li cercano guardando i loro effetti sullo spazio circostante. La loro esistenza, suggerita a partire dalla fine del Settecento, fu matematicamente prevista nel 1916, nell’ambito della teoria della relatività generale di Einstein, anche se il termine “buco nero” fu coniato oltre mezzo secolo dopo, nel 1967, dall’astronomo americano John Wheeler.

 

La struttura fondamentale di un buco nero consiste di una cosiddetta singolarità, un punto nello spazio dove la densità di materia tende a infinito, circondata da un orizzonte degli eventi: all’interno di questa superficie, nulla può sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero, in quanto la velocità di fuga è superiore a quella della luce. Ciò significa anche che non è possibile, da fuori, osservare nulla di quello che succede all’interno dell’orizzonte degli eventi.

 

I buchi neri si possono classificare per massa, ricordando che la massa degli oggetti astronomici si misura in unità di massa solare (corrispondente a  kg). I buchi neri stellari hanno masse tipicamente comprese tra le 3 e le 50 masse solari circa. Nella Via Lattea, si stima che esista qualche centinaio di milioni di buchi neri stellari. Tuttavia, ne sono state trovate solo alcune decine. La loro osservazione è possibile nei sistemi binari formati da una stella e un buco nero: quando il gas perso dalla stella viene attratto dal buco nero (o, in alcuni casi, quando il buco nero ingloba la stella compagna), avviene un’emissione caratteristica di raggi X. Fu così che nel 1971 venne identificato il primo buco nero della storia, Cygnus X-1, situato nella Via Lattea a circa 7000 anni luce da noi.

 

Immagine di Cygnus X-1 ripresa nei raggi X. Crediti: NASA/Marshall Space Flight Center

 

I buchi neri stellari si formano quando una stella massiccia (di massa uguale o superiore a circa 10 masse solari) termina i suoi combustibili nucleari e va incontro a un’esplosione di supernova. L’esplosione, la cui luminosità può superare quella di tutta la galassia che la ospita, si lascia indietro un nucleo molto compatto che, se supera una certa massa, collassa su se stesso formando appunto un buco nero. Per dare un’idea della compattezza, un buco nero può concentrare tre volte la massa del Sole entro il diametro di una grande città.

 

Dall’altro lato dello spettro troviamo i buchi neri supermassicci (o galattici) situati nella regione centrale di quasi tutte le galassie (inclusa la nostra, nella direzione dell’attuale costellazione del Sagittario). Le loro masse vanno dalle centinaia di migliaia ai miliardi di masse solari. Secondo le attuali teorie cosmologiche, si sono formati nelle prime fasi dell’universo, ed è plausibile che il loro sviluppo sia legato proprio alla loro posizione centrale nelle galassie, dove la densità di stelle, gas e polveri è talmente alta da permettere alla massa del buco nero di accrescersi molto rapidamente.

 

Nel corso delle fasi di accrescimento di materia, attorno ai buchi neri galattici si forma un disco di gas e polveri che si scalda a enormi temperature per attrito: è proprio l’intensa radiazione emessa dal disco di accrescimento che ci ha permesso di trovare molti buchi neri supermassicci estremamente distanti.

 

Nell’aprile del 2019, è stata annunciata la prima immagine di un buco nero galattico, quello della galassia M87, ripreso grazie ai radiotelescopi della collaborazione Event Horizon Telescope: quello che si vede è appunto il disco di accrescimento intorno al buco nero centrale. Il buco nero al centro della nostra galassia, chiamato Sagittarius A*, è stato invece identificato indirettamente dall’influenza che esercita sul moto delle stelle nella regione circostante: si stima che la sua massa sia pari a 3 o 4 milioni di masse solari.

 

 

L’immagine del buco nero M87* ottenuta da Event Horizon Telescope. Crediti: EHT Collaboration, Licenza CC BY 4.0

 

 

Esiste poi un terzo tipo un terzo tipo di buchi neri, detti semplicemente di massa intermedia compresi tra le centinaia e le migliaia di masse solari. Fino a qualche tempo fa, non si conosceva nessun meccanismo astrofisico o cosmologico plausibile in grado di spiegare la formazione di questi buchi neri di massa intermedia. Non è infatti possibile che risultino dal collasso da una singola stella: potrebbero formarsi a causa di qualche particolare evento nel corso del quale “divorano” grandi quantità di materia, o dalla collisione e fusione di due o più buchi neri stellari.

 

Dallo studio delle onde gravitazionali, sappiamo oggi che le fusioni di buchi neri sono tutt’altro che insolite. Per esempio, nel corso di un evento chiamato GW190521 verificatosi nel maggio del 2019 due buchi neri rispettivamente da 85 e 66 masse solari si sono fusi creando un buco nero più grande di massa pari a 142 masse solari (il disavanzo di 9 masse solari è stato convertito in energia e irraggiato nello spazio sotto forma, appunto, di onde gravitazionali). Questo tipo di fenomeni è dunque un buon candidato per la formazione di buchi neri di massa intermedia.

 

Guarda i video:

  • La simulazione numerica della fusione di due buchi neri che ha generato l’evento di onde gravitazionali GW190521
  • La visualizzazione del disco di accrescimento di un buco nero

 

 

 

TOCCA A TE!

 

1)

Secondo la relatività generale, il tempo nei pressi di un oggetto molto massiccio scorre molto più lentamente rispetto agli oggetti che si trovano a grande distanza da questo oggetto, secondo l’equazione:

In questa equazione, t0 è l’intervallo di tempo trascorso per un osservatore a distanza d dal centro di gravità di un corpo di massa M, t è il tempo trascorso per un osservatore lontano dal corpo, G  e c sono rispettivamente la costante di gravitazione universale e la velocità della luce.

 

Supponiamo di orbitare, a distanza pari al raggio medio dell’orbita terrestre, attorno a un corpo massiccio, e di misurare una durata di un’ora per un certo evento. Calcola la durata dello stesso evento per un osservatore posto a distanza infinita se il corpo massiccio in questione è:

    • Il Sole.
    • Cygnus X-1.
    • Il buco nero risultante dall’evento
    • Sagittarius A*.

 

2)

Nel 2008, quando entrò in funzione l’acceleratore di particelle Large Hadron Collider presso il CERN di Ginevra, la stampa speculò che vi fosse il rischio di generare un “mini buco nero” che avrebbe inghiottito la Terra. Fai una ricerca sulle dichiarazioni dell’epoca, cercando di capire da dove venisse questo timore e quali fossero le reali probabilità di un evento simile.

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