Composizione di un buco nero

Quando senti la frase "buco nero", quasi certamente evoca un senso di mistero e meraviglia, forse venato di un elemento di pericolo. Mentre il termine "buco nero" è diventato sinonimo nel linguaggio di tutti i giorni di "un posto dove va qualcosa, che non si vede mai di nuovo", la maggior parte delle persone ha familiarità con il suo uso nel mondo dell'astronomia, se non necessariamente con caratteristiche precise e definizioni.

Per decenni, tra i ritornelli più comuni che riassumono i buchi neri è stato sulla falsariga di "un luogo in cui la gravità è così forte, nemmeno la luce può sfuggire." Anche se questo è un riassunto abbastanza accurato per cominciare, è naturale chiedersi come potrebbe accadere una cosa del genere per iniziare con.

Altre domande abbondano. Cosa c'è dentro un buco nero? Esistono diversi tipi di buchi neri? E qual è la dimensione tipica di un buco nero, supponendo che una cosa del genere esista e possa essere misurata? Il lancio del telescopio Hubble ha rivoluzionato il modo in cui si potevano studiare i buchi neri.

Prima di approfondire l'argomento dei buchi neri – e dei cattivi giochi di parole – è utile ripassare la terminologia di base utilizzata per definire le proprietà e la geometria dei buchi neri.

In particolare, ogni buco nero ha al suo centro effettivo, asingolarità, che consiste di materia così compressa da essere quasi una massa puntiforme. L'enorme densità che ne risulta produce un campo gravitazionale così potente che a una certa distanza nemmeno i fotoni, che sono le "particelle" della luce, possono liberarsi. Questa distanza è nota comeRaggio di Schwarzchild; in un buco nero non rotante (e imparerai il tipo più dinamico in una sezione successiva), la sfera invisibile con questo raggio con la singolarità al centro forma ilorizzonte degli eventi​.

Ovviamente, niente di tutto questo spiega da dove provengano effettivamente i buchi neri. Appaiono spontaneamente e in luoghi casuali in tutto il cosmo? Se sì, c'è qualche prevedibilità del loro aspetto? Considerando il loro decantato potere, sarebbe utile sapere se un buco nero potrebbe avere in programma di aprire un negozio nelle vicinanze del sistema solare terrestre.

L'esistenza dei buchi neri fu proposta per la prima volta nel 1700, ma gli scienziati dell'epoca non avevano gli strumenti necessari per confermare quanto proposto. All'inizio del 1900, l'astronomo tedesco Karl Schwarzchild (sì, quello) utilizzò la teoria generale di Einstein relatività per stabilire il comportamento fisicamente più importante dei buchi neri: la loro capacità di "intrappolare" la luce.

In teoria, sulla base del lavoro di Schwarzchild, qualsiasi massa potrebbe servire come base per un buco nero. L'unico requisito è che il suo raggio dopo essere stato compresso non superi il suo raggio di Schwarzchild.

L'esistenza dei buchi neri ha presentato ai fisici un enigma, anche se allettante da tentare di risolvere. Si ritiene che grazie alla curvatura spazio-temporale risultante dalla straordinaria forza di gravità in prossimità del buco nero, le leggi della fisica in effetti si rompano; poiché l'orizzonte degli eventi è inaccessibile dall'analisi umana, questo conflitto non è in effetti un conflitto per gli astrofisici.

Se si pensa alla dimensione del buco nero come alla sfera formata dall'orizzonte degli eventi, la densità è molto diversa rispetto a se il nero viene trattato invece solo come la stella collassata ridicolmente piccola con massa che forma la singolarità (più su questo in un momento).

Gli scienziati credono che i buchi neri possano essere piccoli come certi atomi, ma possedere la stessa massa di una montagna sulla Terra. D'altra parte, alcuni possono essere fino a 15 volte più massicci del sole pur essendo piccoli (ma non di dimensioni atomiche). Questibuchi neri stellarisi trovano in tutte le galassie, inclusa la Via Lattea, in cui risiedono la Terra e il sistema solare.

Ancora altri buchi neri possono essere molto, molto più grandi. Questibuchi neri supermassiccipuò essere più di un milione di volte più massiccio del sole, e si ritiene che ogni galassia ne abbia una al centro. Quello al centro della Via Lattea, soprannominatoSagittario A, è abbastanza grande da contenere alcuni milioni di Terre, ma questo volume impallidisce in confronto alla massa dell'oggetto - stimata essere quella di 4 milioni di soli.

Piuttosto che formarsi e apparire in modo imprevedibile, una minaccia appena accennata in precedenza, si ritiene che i buchi neri si formino contemporaneamente agli oggetti più grandi in cui loro vivono." Si ritiene che alcuni minuscoli buchi neri si siano formati nello stesso momento in cui il cosmo stesso è nato, al momento del Big Bang quasi 14 miliardi di anni fa.

Di conseguenza, buchi neri supermassicci all'interno delle singole galassie si formano nel momento in cui queste galassie si uniscono in esistenza dalla materia interstellare. Altri buchi neri si formano come conseguenza di un evento violento chiamato asupernova​.

Una supernova è la morte implosiva, o "traumatica", di una stella, al contrario di una stella che si spegne come un gigantesco tizzone celeste. Tali eventi si verificano quando una stella ha esaurito così tanto del suo carburante da iniziare a collassare sotto la sua stessa massa. Questa implosione si traduce in un'esplosione di rimbalzo che getta via gran parte di ciò che rimane della stella, lasciando una singolarità al suo posto.

Uno dei problemi summenzionati per i fisici è che la densità della porzione del buco nero considerata come la singolarità non può essere calcolato come nient'altro che infinito, poiché non è certo quanto sia piccola la massa (ad esempio, quanto poco volume sia occupa). Per calcolare in modo significativo la densità di un buco nero, è necessario utilizzare il suo raggio di Schwarzchild.

Un buco nero di massa terrestre ha una densità teorica di circa 2 × 10²⁷ g/cm³ (per riferimento, la densità dell'acqua è solo 1 g/cm³). Una tale grandezza è praticamente impossibile da inserire nel contesto della vita quotidiana, ma i risultati cosmici sono prevedibilmente unici. Per calcolarlo, dividi la massa per il volume dopo aver "corretto" il raggio usando le masse relative del buco nero e del sole, come mostrato nell'esempio seguente.

​Problema di esempio:Un buco nero ha la massa di circa 3,9 milioni (3,9 × 10⁶) soli, con massa del sole pari a 1,99 × 10³³ grammi, e si assume che sia una sfera con raggio di Schwarzchild di 3 × 10⁵ cm. Qual è la sua densità?

Per prima cosa, trova ilraggio effettivo della sfera che forma l'orizzonte degli eventimoltiplicando il raggio di Schwarzchild per il rapporto tra la massa del buco nero e quella del sole, dato come 3,9 milioni:

Quindi calcolare il volume della sfera, trovato dalla formula V = (4/3)πr³:

Infine, dividi la massa della sfera per questo volume per ottenere la densità. Poiché ti viene data la massa del sole e il fatto che la massa del buco nero è 3,9 milioni di volte maggiore, puoi calcolare questa massa come (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. La densità è quindi:

Gli astronomi hanno prodotto diversi sistemi di classificazione per i buchi neri, uno basato sulla sola massa e l'altro basato su carica e rotazione. Come notato sopra, la maggior parte (se non tutti) i buchi neri ruotano attorno a un asse, come la Terra stessa.

La classificazione dei buchi neri in base alla massa produce il seguente sistema:

• ​Buchi neri primordiali:Questi hanno masse simili a quelle della Terra. Questi sono puramente ipotetici e potrebbero essersi formati attraverso disturbi gravitazionali regionali subito dopo il Big Bang.
• ​Buchi neri di massa stellari:Citati in precedenza, questi hanno masse comprese tra circa 4 e 15 masse solari e risultano dal collasso "tradizionale" di una stella più grande della media al termine della sua durata.
• ​Buchi neri di massa intermedia:Non confermato a partire dal 2019, questi buchi neri - circa qualche migliaio di volte più massicci del sole - potrebbero esistere in alcuni ammassi stellari e anche in seguito potrebbero sbocciare in buchi neri supermassicci.
• ​Buchi neri supermassicci:Anche menzionato in precedenza, questi vantano tra un milione e un miliardo di masse solari e si trovano al centro di grandi galassie.

In uno schema alternativo, i buchi neri possono essere classificati in base alla loro rotazione e carica invece:

• ​Buco nero di Schwarzschild:Conosciuto anche come abuco nero statico, questo tipo di buco nero non ruota e non ha carica elettrica. È quindi caratterizzato dalla sua sola massa.
• ​Buco nero di Kerr:Questo è un buco nero rotante, ma come un buco nero di Schwarzschild, non ha carica elettrica.
• ​Buco nero carico:Questi sono disponibili in due varietà. un carico,non rotantebuco nero è noto come aBuco nero di Reissner-Nordstrom, mentre a carico,rotantebuco nero si chiama aBuco nero di Kerr-Newman​.

Avresti ragione a chiederti come gli scienziati abbiano tratto così tante conclusioni sicure su oggetti che per definizione non possono essere visualizzati. Gran parte della conoscenza dei buchi neri è stata dedotta dal comportamento e dall'aspetto di oggetti relativamente vicini. Quando un buco nero e una stella sono abbastanza vicini tra loro, ne risulta un tipo speciale di radiazione elettromagnetica ad alta energia che può mettere in allarme gli astronomi.

A volte si possono vedere grandi getti di gas sporgere dalle "estremità" di un buco nero; a volte, questo gas può fondersi in una forma vagamente circolare nota come andisco di accrescimento. Si teorizza inoltre che i buchi neri emettano una sorta di radiazione chiamata, opportunamente,radiazione del buco nero(oRadiazione di Hawking). Questa radiazione può sfuggire al buco nero a causa della formazione di coppie "materia-antimateria" (ad es.elettroniepositroni) appena al di fuori dell'orizzonte degli eventi, e la successiva emissione dei soli membri positivi di queste coppie come radiazione termica.

Prima del lancio delTelescopio Spaziale Hubblenel 1990, gli astronomi si erano a lungo interrogati su oggetti molto distanti che chiamavanoquasar, una compressione di "oggetti quasi stellari". Come buchi neri supermassicci, la cui esistenza era scoperti in seguito, questi oggetti ad alta energia rapidamente vorticosi si trovano al centro di grandi galassie. I buchi neri sono ora considerati le entità che guidano il comportamento dei quasar, che si trovano solo a enormi distanze perché esistevano nella relativa infanzia del cosmo; la loro luce sta raggiungendo proprio ora la Terra dopo circa 13 miliardi di anni di transito.

Alcuni astrofisici hanno proposto che le galassie che sembrano essere diversi tipi di base se viste dalla Terra potrebbero in realtà essere dello stesso tipo, ma con lati diversi presentati verso la Terra. A volte, l'energia del quasar è visibile e fornisce una sorta di effetto "faro" in termini di come la Terra strumenti registrano l'attività del quasar, mentre altre volte le galassie appaiono più "tranquille" a causa della loro orientamento.