Un buco nero è un fenomeno spaziale di proporzioni estremamente elevate (di solito più grande del sole) e con massa estremamente compatto, risultando in un campo gravitazionale così forte che nessuna particella o radiazione riesce ad uscire.
Poiché anche la luce viene aspirata, la presenza di un buco nero è evidenziata da conseguenze gravitazionali osservabili. nei suoi dintorni, soprattutto dai cambi di orbita dei corpi celesti vicini, che iniziano ad essere attratti dal buco nero.
Inoltre, astronomi e scienziati affermano che un buco nero può essere osservabile a causa della sua emissione di luce.
Prima immagine di un buco nero
Prima immagine di un buco nero di 40 miliardi di chilometri di diametro situato nella galassia M87, a 50 milioni di anni luce dalla Terra. Foto: evento del telescopio Horizont.
La prima immagine di un buco nero è stata rilasciata nell'aprile 2019 in una conferenza a Bruxelles. È stato trovato, dopo 2 anni di osservazione e ricerca, dal progetto internazionale denominato Event Horizon Telescope (EHT), che riunisce quasi una dozzina di radiotelescopi nel mondo, dall'Europa al Polo Sud.
Nell'immagine, l'unica parte visibile del buco nero è il cerchio d'oro, chiamato dagli astronomi "orizzonte degli eventi" (orizzonte degli eventi in portoghese) o "punto di non ritorno".
Al centro dell'orizzonte degli eventi, c'è una densità di massa incalcolabile, chiamata singolarità. La gravità di questo punto è così forte che nessun oggetto circostante può sfuggire.
In teoria, solo qualcosa che si muove più velocemente della velocità della luce potrebbe resistere al campo gravitazionale di un buco nero. Per questo motivo, non è possibile sapere con certezza cosa succede alla materia che viene risucchiata.
Come si forma un buco nero?
I buchi neri sono formati da collassi gravitazionali di corpi celesti. Questi fenomeni si verificano quando la pressione interna di un corpo (di solito le stelle) è insufficiente a mantenere la propria massa. Quindi, quando il nucleo della stella collassa a causa della gravità, il corpo celeste esplode rilasciando enormi quantità di energia in un evento noto come supernova.
Immagine rappresentativa di una supernova.
Durante una supernova, in una frazione di secondo, l'intera massa della stella viene compressa nel suo nucleo mentre si sposta verso il circa 1/4 della velocità della luce (infatti è proprio in questo momento che si trovano gli elementi più pesanti dell'universo creato).
Quindi l'esplosione darà luogo a a stella di neutroni oppure, se la stella è abbastanza grande, il risultato sarà la formazione di un buco nero, la cui quantità astronomica di massa concentrata crea il suddetto campo gravitazionale. In esso, la velocità di fuga (la velocità necessaria affinché una particella o una radiazione resista all'attrazione) deve essere, almeno, maggiore della velocità della luce.
Quanto è grande un buco nero?
I buchi neri sono disponibili in diverse dimensioni. I più piccoli conosciuti dalla scienza sono chiamati buchi neri primordiali e si ritiene abbiano le dimensioni di un atomo ma con la massa totale di una montagna.
I buchi neri medi (la cui massa è fino a 20 volte la massa totale del sole) sono chiamati stellari. In questa categoria, il buco nero più piccolo scoperto è 3,8 volte la massa solare.
I più grandi buchi neri catalogati sono chiamati supermassicci, spesso trovati al centro delle galassie. Ad esempio, al centro della Via Lattea c'è Sagittarius A, un buco nero con una massa equivalente a 4 milioni di volte la massa del sole.
Finora, il più grande buco nero conosciuto si chiama S50014+81, la cui massa è quaranta miliardi di volte la massa del sole.
Tipi di buchi neri
Il fisico teorico tedesco Albert Einstein ha formulato una serie di ipotesi relative alla gravitazione che sono servite come base per l'emergere della fisica moderna. Questo insieme di idee è stato chiamato Teoria della Relatività Generale, in cui lo scienziato ha fatto diverse osservazioni rivoluzionarie sugli effetti gravitazionali dei buchi neri.
Per Einstein, i buchi neri sono "deformazioni nello spazio-tempo causate dall'enorme quantità di materia concentrata". Le sue teorie hanno promosso rapidi progressi nell'area e hanno permesso la classificazione di diversi tipi di buchi neri:
Schwarzschild Black Holechild
I buchi neri di Schwarzschild sono quelli che non hanno una carica elettrica e inoltre non hanno momento angolare, cioè non ruotano attorno al loro asse.
buco nero di Kerr
I buchi neri di Kerr non hanno carica elettrica ma ruotano attorno al loro asse.
Buco nero di Reissner-Nordstrom
I buchi neri di Reissner-Nordstrom trasportano una carica elettrica ma non ruotano attorno al loro asse.
Il buco nero di Kerr-Newman
I buchi neri di Kerr-Newman trasportano una carica elettrica e ruotano attorno al loro asse.
In teoria, tutti i tipi di buchi neri alla fine diventano buchi neri di Schwarzschild (statici e non caricati) quando perdono abbastanza energia e smettono di ruotare. Questo fenomeno è noto come Processo di Penrose. In questi casi, l'unico modo per differenziare un buco nero di Schwarzschild da un altro è misurarne la massa.
Struttura di un buco nero
I buchi neri sono invisibili poiché il loro campo gravitazionale è inevitabile anche per la luce. Quindi, un buco nero ha l'aspetto di una superficie scura dalla quale non si riflette nulla e non ci sono prove di ciò che accade agli elementi che vengono risucchiati al suo interno. Tuttavia, partendo dall'osservazione degli effetti che provocano nell'ambiente circostante, la scienza struttura i buchi neri in orizzonte degli eventi, singolarità ed ergosfera.
Orizzonte degli eventi
Il confine del campo gravitazionale del buco nero da cui non si osserva nulla è chiamato orizzonte degli eventi o punto di non ritorno.
Rappresentazione grafica di un orizzonte degli eventi, fornito dalla NASA, in cui si osserva una sfera perfetta dalla quale non viene emessa luce.
Pur essendo, infatti, solo conseguenze gravitazionali, l'orizzonte degli eventi è considerato parte della struttura di un buco nero perché è l'inizio dell'area osservabile del fenomeno.
La sua forma è nota per essere perfettamente sferica nei buchi neri statici e obliqua nei buchi neri rotanti.
Perché dilatazione del tempo gravitazionale, l'influenza che la massa del buco nero esercita sullo spaziotempo fa sì che l'orizzonte degli eventi, anche al di fuori del suo raggio, abbia i seguenti effetti:
- Per un osservatore lontano, un orologio vicino all'orizzonte degli eventi si sposterebbe più lentamente di uno più lontano. Pertanto, qualsiasi oggetto risucchiato nel buco nero sembrerebbe rallentare fino a quando non sembra essere paralizzato nel tempo.
- Per un osservatore distante, l'oggetto che si avvicina all'orizzonte degli eventi assumerebbe una tonalità rossastra, conseguenza di fenomeno fisico noto come redshift, poiché la frequenza della luce viene ridotta dal campo gravitazionale del foro nero.
- Dal punto di vista dell'oggetto, il tempo passerebbe ad un ritmo accelerato per l'intero universo, mentre per te il tempo passerebbe normalmente.
Singolarità
Il punto centrale di un buco nero, dove la massa della stella è diventata infinitamente concentrata, è chiamato singolarità, di cui si sa poco. In teoria, la singolarità contiene la massa totale della stella collassata, più la massa di tutti i corpi risucchiati dal campo gravitazionale, ma non ha volume né superficie.
Ergosfera
L'ergosfera è una zona che circonda l'orizzonte degli eventi in buchi neri rotanti, in cui è impossibile per un corpo celeste rimanere stazionario.
Sempre secondo la relatività di Einstein, qualsiasi oggetto rotante tende a trascinare lo spaziotempo vicino a sé. In un buco nero rotante, questo effetto è così forte che richiederebbe che un corpo celeste si muova nella direzione opposta a una velocità maggiore della velocità della luce per rimanere fermo.
È importante non confondere gli effetti dell'ergosfera con gli effetti dell'orizzonte degli eventi. L'ergosfera non attrae oggetti con il campo gravitazionale. Quindi, tutto ciò che viene in contatto con esso verrà spostato solo nello spazio-tempo e sarà attratto solo se attraversa l'orizzonte degli eventi.
Le teorie sui buchi neri di Stephen Hawking
Stephen Hawking è stato uno dei fisici e cosmologi più influenti del XX e XXI secolo. Tra i suoi numerosi contributi, Hawking ha risolto diversi teoremi proposti da Einstein che contribuito alla teoria che l'universo ha avuto inizio in una singolarità, rafforzando ulteriormente il chiamata Teoria del Big Bang.
Hawking credeva anche che i buchi neri non fossero completamente neri ma emettessero piccole quantità di radiazioni termiche. Questo effetto era noto in fisica come Radiazione di Hawking. Questa teoria prevede che i buchi neri perderebbero massa con la radiazione rilasciata e, in un processo estremamente lento, si ridurrebbero fino a scomparire.
Vedi anche:
- Teoria della relatività
- Gravità
- Big Bang