Buco nero

Cos'è un buco nero:

Un buco nero è un fenomeno spaziale di proporzioni molto alte (di solito più grandi del sole) e una massa estremamente compatta, risultante in un campo gravitazionale così forte che nessuna particella o radiazione può uscire.

Considerando che anche la luce viene risucchiata, i buchi neri sono invisibili e la loro esistenza è solo evidenziata dalle conseguenze gravitazionali osservabili nei suoi dintorni, specialmente dalle variazioni delle orbite dei corpi celesti vicini, che ora sono attratti dal buco nero.

In teoria, solo qualcosa che si muove ad una velocità maggiore della velocità della luce sarebbe in grado di resistere al campo gravitazionale di un buco nero. Per questo motivo, non è possibile sapere con certezza cosa succede alla questione che viene succhiata.

Quanto è grande un buco nero?

I buchi neri esistono in varie dimensioni. I minori noti alla scienza sono chiamati buchi neri primordiali e si ritiene che 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 più piccolo buco nero scoperto ha 3, 8 volte la massa solare.

I più grandi buchi neri catalogati sono chiamati supermassicci, spesso trovati nel centro delle galassie. Ad esempio, nel centro della Via Lattea si trova il Sagittario A, un buco nero con una massa equivalente a 4 milioni di volte la massa del sole.

Finora, il più grande buco nero conosciuto è chiamato S50014 + 81, la cui massa equivale a quaranta miliardi di volte la massa del sole.

Come si formano i buchi neri?

I buchi neri sono formati da collassi gravitazionali di corpi celesti. Questi fenomeni si verificano quando la pressione interna di un corpo (solitamente le stelle) è insufficiente a mantenere la propria massa. Quindi, quando il nucleo della stella collassa a causa della gravità, il corpo celeste esplode liberando enormi quantità di energia in un evento noto come una supernova .

Rappresentazione visiva di una supernova.

Durante la supernova, in una frazione di secondo, l'intera massa della stella viene compressa nel suo nucleo mentre si muove a circa 1/4 della velocità della luce (incluso, in questo momento, vengono creati gli elementi più pesanti dell'universo).

Quindi l'esplosione darà origine a una stella di neutroni o, se la stella è abbastanza grande, il risultato sarà la formazione di un buco nero, la cui quantità astronomica di massa concentrata crea il summenzionato campo gravitazionale. In esso, la velocità di fuga (velocità necessaria per alcune particelle o radiazione per resistere all'attrazione) deve essere almeno maggiore della velocità della luce.

Tipi di buchi neri

Il fisico teorico tedesco Albert Einstein formulò una serie di ipotesi relative alla gravitazione che servirono da 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 innovative sugli effetti gravitazionali dei buchi neri.

Per Einstein, i buchi neri sono "deformazioni nello spazio-tempo causate dalla massiccia quantità di materia concentrata". Le sue teorie promuovevano un rapido progresso dell'area e consentivano la classificazione dei diversi tipi di buchi neri:

Buco nero di Schwarzschild

I buchi neri di Schwarzschild sono quelli che non hanno carica elettrica e inoltre non hanno impulso angolare, vale a dire non ruotano attorno al suo asse.

Kerr Black Hole

I buchi neri di Kerr non hanno carica elettrica ma ruotano attorno al loro asse.

Reissner-Nordstrom Black Hole

I buchi neri di Reissner-Nordstrom hanno carica elettrica ma non ruotano attorno al loro asse.

Kerr-Newman Black Hole

I buchi neri di Kerr-Newman sono caricati elettricamente e ruotano attorno al loro asse.

In teoria, tutti i tipi di buchi neri alla fine diventano buchi neri di Schwarzschild (statici e senza carica elettrica) quando perdono abbastanza energia e smettono di ruotare. Questo fenomeno è noto come processo di Penrose . In questi casi, l'unico modo per distinguere un buco nero da Schwarzschild da un altro è misurarne la massa.

Struttura di un buco nero

I buchi neri sono invisibili dal momento che il loro campo gravitazionale è ineludibile anche per la luce. Quindi, un buco nero ha l'aspetto di una superficie scura da cui nulla viene riflesso e non vi è alcuna prova di ciò che accade agli elementi che vengono risucchiati dentro di esso. Tuttavia, dall'osservazione degli effetti che causano nei loro dintorni, la scienza struttura i buchi neri nell'orizzonte degli eventi, singolarità ed ergosfera .

Orizzonte degli eventi

Il limite del campo gravitazionale del buco nero da cui nulla è osservato è chiamato l'orizzonte degli eventi o punto di non ritorno .

Rappresentazione grafica di un orizzonte degli eventi, reso disponibile dalla NASA, in cui si osserva una sfera perfetta da cui non viene emessa alcuna luce.

Anche se in realtà sono 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.

È noto che la sua forma è perfettamente sferica nei buchi neri statici e obliqua nei buchi neri rotanti.

A causa della dilatazione gravitazionale del tempo, l'influenza della massa del buco nero sullo spazio-tempo fa sì che l'orizzonte degli eventi, anche oltre il suo intervallo, abbia i seguenti effetti:

Per un osservatore lontano, un orologio vicino all'orizzonte degli eventi si muoveva più lentamente di un altro più lontano. Quindi, qualsiasi oggetto che viene risucchiato nel buco nero sembrerebbe rallentare fino a quando non sembra paralizzato nel tempo.
Per un osservatore distante, l'oggetto che si avvicina all'orizzonte degli eventi assumerebbe una tonalità rossastra, una conseguenza del fenomeno fisico noto come redshift, poiché la frequenza della luce viene ridotta dal campo gravitazionale del buco nero.
Dal punto di vista dell'oggetto, il tempo passerebbe ad una velocità accelerata per l'intero universo, mentre per se stesso, il tempo passerebbe normalmente.

singolarità

Il punto centrale di un buco nero, dove la massa della stella è diventata infinitamente concentrata, è chiamata singolarità, di cui si sa poco. In teoria, la singolarità contiene la massa totale della stella che è crollata, aggiunta alla massa di tutti i corpi risucchiati dal campo gravitazionale, ma non ha volume o superficie.

ergosfera

L'ergosfera è un'area che aggira l'orizzonte degli eventi nei buchi neri rotanti, in cui è impossibile per un corpo celeste fermarsi.

Tuttavia, secondo la relatività di Einstein, qualsiasi oggetto rotante tende a trascinare lo spazio-tempo vicino ad esso. In un buco nero rotante, questo effetto è così forte che sarebbe necessario che un corpo celeste si muova nella direzione opposta a una velocità maggiore di quella della luce per rimanere fermi.

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 sarà spostato solo nello spazio-tempo e sarà attratto solo se interseca l'orizzonte degli eventi.

Stephen Hawking Theories on Black Holes

Stephen Hawking fu uno dei più influenti fisici e cosmologi del XX e del XXI secolo e tra i suoi numerosi contributi, Hawking risolse diversi teoremi proposti da Einstein che contribuirono alla teoria secondo cui l'universo iniziava in una singolarità, rafforzando ulteriormente la cosiddetta teoria di 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 Hawking Radiation . Questa teoria prevede che i buchi neri perderebbero massa con le radiazioni rilasciate e, in un processo estremamente lento, diminuirebbero fino a scomparire.