Cos'è un buco nero?
Tra i tanti oggetti del cielo, il "buco nero" è uno di quelli più affascinanti perché da una parte incute paura per la sua voracità e dall'altra spinge la fantasia verso luoghi lontani, inarrivabili, per qualcuno addirittura paralleli.
Per capire cos'è davvero un "buco nero" bisognerebbe essere esperti della Teoria della Relatività Generale, quella che Albert Einstein sviluppò con successo circa un secolo fa, e che tutt'oggi è considerata la teoria che meglio descrive la gravità.
Ovviamente non è il caso di entrare nei dettagli, ma quello che possiamo fare è capirne i concetti principali.
Questa forza non agisce solo su di noi ma tiene unita la Terra, permette l'esistenza del Sole, del Sistema Solare e di tutto l'Universo.
Fu Newton, nella seconda metà del '700, a capire che la forza di gravità è legata sia il nostro peso che il moto dei pianeti attorno al Sole e per circa tre secoli la concezione della gravità rimase tale: una forza di attrazione generata dalla massa. Se un corpo ha massa allora genera forza di gravità e tale forza sarà tanto più forte quanto più grande è la massa del corpo stesso.
Era il 1915 quando Einstein propose la sua risposta alla domanda Cos'è la gravità?. Lo fece in modo davvero rivoluzionario. Infatti, secondo lui la gravità è il prodotto della deformazione dello spazio-tempo. Collegò la forza di gravità alla geometria dello spazio-tempo.
Non voglio entrare in una discussione lunghissima e qui inutile sullo spazio-tempo. Per arrivare velocemente al concetto di gravità introdotto da Einstein facciamo un piccolo esperimento (anche solo mentale): immaginate che lo spazio-tempo sia la superficie di un materasso1.
Posateci sopra una piuma: il materasso rimarrà più o meno uguale, non si modificherà col peso della piuma.
Ora mettete sopra al materasso una palla medica da 3 kg: la superficie del materasso si incurverà leggermente; la massa della palla medica modifica infatti la zona circostante del materasso.
Al posto della palla medica appoggiateci ora una palla di piombo delle stesse dimensioni: questa sprofonderà ancor di più e la deformazione della superficie del materasso sarà maggiore.
Più grande è la massa di un corpo maggiore sarà la sua forza di gravità e altrettanto grande sarà la deformazione della geometria dello spazio-tempo: lo spazio-tempo si incurva.
Immaginate ora di giocare sulla superficie del materasso con una macchinina radiocomandata nei tre casi visti sopra, ad una regola: nel caso in cui la macchinina finisse in una buca, per uscirne potete dare solo una spinta istantanea. Sarà solo la velocità che raggiungerà con tale spinte a permettere al modellino di uscire dalla buca.
Nel caso della piuma, la macchinina può percorrere il materasso in lungo e in largo senza essere disturbata poiché le deformazioni sono praticamente inesistenti.
Quando invece il modellino si avvicina alla palla medica il suo percorso viene deviato e nel caso in cui dovesse cadere nella buca creata dalla palla stessa, per farla uscire dovreste fargli raggiungere una certa velocità.
Ora, immaginate che la macchinina finisca nella buca creata dalla palla di piombo. Per farla uscire dovremo fornire molto più gas rispetto a quando finì nella buca della palla medica, perché l'attuale buca è più profonda e più incurvata e per uscire bisogna raggiungere una velocità maggiore.
Avrete capito che dietro quanto descritto sopra si nasconde il concetto fisico di velocità di fuga.
Lo stesso Einstein, dieci anni prima di formulare la Teoria della Relatività Generale, disse che la velocità della luce è un limite invalicabile (e tutti gli esperimenti finora condotti lo hanno confermato). Quindi, se il nostro modellino finisse dentro un buco nero, non ne uscirebbe più.
I buchi neri sono oggetti non comuni. Sono concentrazioni così elevate di materia che deformano lo spazio-tempo circostante a tal punto da non permettere nemmeno alla luce di uscire.
Per capire che in una zona dello spazio c'è un buco nero non è necessario avvicinarsi troppo e rischiare di caderci dentro; basta tenersi a distanza di "sicurezza" in modo da sentire solo i primi effetti gravitazionali.
Immaginate di lanciare la macchinina telecomandata in linea retta stavolta non direttamente dentro buco nero ma poco più in là, come se volessimo solo sfiorarlo. Quando il modellino sarà nei paraggi del buco nero la sua traiettoria (la linea retta) verrà deviata. Tanto più sarà vicina al buco nero tanto maggiore sarà la deviazione.
Una volta misurata tale deviazione, grazie alla Teoria delle Relatività Generale è possibile determinare le caratteristiche del corpo che l'ha generata.
In pratica gli astronomi seguono le stelle o le nubi di gas luminose (è il caso dell'articolo linkato qui sotto) che si muovono vicine a questo mostro cosmico ne tracciano l'orbita e misurando quanto essa si discosta da un'orbita ellittica e chiusa (tipo quella della Terra) riescono a capire le caratteristiche dell'oggetto invisibile.
Questo è quanto fatto dagli astronomi che hanno studiato, nei raggi infrarossi, la nube di gas denominata "G2" che muovendosi in prossimità del buco nero supermassiccio (un oggetto di milioni di volte la massa del Sole) che risiede al centro della nostra Galassia, è sopravvissuta all'incontro uscendone abbastanza intatta e il cui effetto più evidente (visibile in futuro) sarà un cambiamento della sua orbita.
Da leggere: "La nube e il Buco Nero"
Note
Per capire cos'è davvero un "buco nero" bisognerebbe essere esperti della Teoria della Relatività Generale, quella che Albert Einstein sviluppò con successo circa un secolo fa, e che tutt'oggi è considerata la teoria che meglio descrive la gravità.
Ovviamente non è il caso di entrare nei dettagli, ma quello che possiamo fare è capirne i concetti principali.
Cos'è la gravità?
Bella domanda. Possiamo descrivere la gravità come una forza: un qualcosa che agisce su un corpo (anche sul nostro) tendendo a muoverlo lungo la direzione della forza stessa. Percettivamente sentiamo la gravità come un qualcosa che ci tira verso il basso, verso il terreno. La forza di gravità determina il nostro peso.Questa forza non agisce solo su di noi ma tiene unita la Terra, permette l'esistenza del Sole, del Sistema Solare e di tutto l'Universo.
Fu Newton, nella seconda metà del '700, a capire che la forza di gravità è legata sia il nostro peso che il moto dei pianeti attorno al Sole e per circa tre secoli la concezione della gravità rimase tale: una forza di attrazione generata dalla massa. Se un corpo ha massa allora genera forza di gravità e tale forza sarà tanto più forte quanto più grande è la massa del corpo stesso.
Era il 1915 quando Einstein propose la sua risposta alla domanda Cos'è la gravità?. Lo fece in modo davvero rivoluzionario. Infatti, secondo lui la gravità è il prodotto della deformazione dello spazio-tempo. Collegò la forza di gravità alla geometria dello spazio-tempo.
Non voglio entrare in una discussione lunghissima e qui inutile sullo spazio-tempo. Per arrivare velocemente al concetto di gravità introdotto da Einstein facciamo un piccolo esperimento (anche solo mentale): immaginate che lo spazio-tempo sia la superficie di un materasso1.
Posateci sopra una piuma: il materasso rimarrà più o meno uguale, non si modificherà col peso della piuma.
Ora mettete sopra al materasso una palla medica da 3 kg: la superficie del materasso si incurverà leggermente; la massa della palla medica modifica infatti la zona circostante del materasso.
Al posto della palla medica appoggiateci ora una palla di piombo delle stesse dimensioni: questa sprofonderà ancor di più e la deformazione della superficie del materasso sarà maggiore.
Più grande è la massa di un corpo maggiore sarà la sua forza di gravità e altrettanto grande sarà la deformazione della geometria dello spazio-tempo: lo spazio-tempo si incurva.
Immaginate ora di giocare sulla superficie del materasso con una macchinina radiocomandata nei tre casi visti sopra, ad una regola: nel caso in cui la macchinina finisse in una buca, per uscirne potete dare solo una spinta istantanea. Sarà solo la velocità che raggiungerà con tale spinte a permettere al modellino di uscire dalla buca.
Nel caso della piuma, la macchinina può percorrere il materasso in lungo e in largo senza essere disturbata poiché le deformazioni sono praticamente inesistenti.
Quando invece il modellino si avvicina alla palla medica il suo percorso viene deviato e nel caso in cui dovesse cadere nella buca creata dalla palla stessa, per farla uscire dovreste fargli raggiungere una certa velocità.
Ora, immaginate che la macchinina finisca nella buca creata dalla palla di piombo. Per farla uscire dovremo fornire molto più gas rispetto a quando finì nella buca della palla medica, perché l'attuale buca è più profonda e più incurvata e per uscire bisogna raggiungere una velocità maggiore.
Avrete capito che dietro quanto descritto sopra si nasconde il concetto fisico di velocità di fuga.
Cos'è un buco nero?
Un buco nero è un oggetto molto compatto - una grande massa concentrata in un piccolo volume - che deforma lo spazio-tempo circostante a tal punto che se la nostra macchinina ci finisse dentro per uscirne dovrebbe superare la velocità della luce.Lo stesso Einstein, dieci anni prima di formulare la Teoria della Relatività Generale, disse che la velocità della luce è un limite invalicabile (e tutti gli esperimenti finora condotti lo hanno confermato). Quindi, se il nostro modellino finisse dentro un buco nero, non ne uscirebbe più.
I buchi neri sono oggetti non comuni. Sono concentrazioni così elevate di materia che deformano lo spazio-tempo circostante a tal punto da non permettere nemmeno alla luce di uscire.
Per capire che in una zona dello spazio c'è un buco nero non è necessario avvicinarsi troppo e rischiare di caderci dentro; basta tenersi a distanza di "sicurezza" in modo da sentire solo i primi effetti gravitazionali.
Immaginate di lanciare la macchinina telecomandata in linea retta stavolta non direttamente dentro buco nero ma poco più in là, come se volessimo solo sfiorarlo. Quando il modellino sarà nei paraggi del buco nero la sua traiettoria (la linea retta) verrà deviata. Tanto più sarà vicina al buco nero tanto maggiore sarà la deviazione.
Una volta misurata tale deviazione, grazie alla Teoria delle Relatività Generale è possibile determinare le caratteristiche del corpo che l'ha generata.
Come si osservano i buchi neri?
I buchi neri, essendo neri perché non lasciano fuoriuscire nemmeno la luce, non sono osservabili direttamente, ma sfruttando quanto detto sopra se ne possono vedere gli effetti gravitazionali sugli oggetti luminosi circostanti.In pratica gli astronomi seguono le stelle o le nubi di gas luminose (è il caso dell'articolo linkato qui sotto) che si muovono vicine a questo mostro cosmico ne tracciano l'orbita e misurando quanto essa si discosta da un'orbita ellittica e chiusa (tipo quella della Terra) riescono a capire le caratteristiche dell'oggetto invisibile.
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| Credit:
ESO/A. Eckart
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Da leggere: "La nube e il Buco Nero"
Note
- 1 Una precisazione: quella del piano elastico (il materasso) è solo una metafora per visualizzare come la massa deformi lo spazio-tempo e il suo utilizzo deve limitarsi solo a fini divulgativi. I meccanismi alla base della deformazione del materasso sono diversi da quelli che stanno alla base della deformazione dello spazio-tempo, basti pensare che il materasso è un oggetto a due dimensioni mentre lo spazio-tempo possiede tre dimensioni spaziali e una temporale, quindi in prossimità di una grande massa concentrata si deforma anche il tempo, non solo lo spazio.
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