Londra – Buchi Neri: il lato misterioso dell’universo.

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Londra – I Buchi Neri sono da sempre uno dei misteri più affascianti dello spazio.” Protagonisti” di film, libri e racconti, sono perfetti per suscitare l’immaginazione collettiva e risvegliare la curiosità anche tra i non esperti del settore. Ai buchi neri, è stato dedicato uno dei seminari scientifici organizzati dall’ambasciata italiana a Londra. Presenti all’evento, tenutosi all’Istituto Italiano di cultura, il responsabile scientifico dell’ambasciata Prof. Roberto Di Lauro e  il Vice Capo Missione dell’ambasciata Vincenzo Celeste.

Speaker della serata:

Prof. Andrew Fabian, Direttore dell’Institute of Astronomy (IoA), University of Cambridge e membro della Royal Society  e Roberto Maiolino, professore alla Cavendish Laboratory (Department of Physics) e al Kavli Institute for Cosmology, presso University of Cambridge.

Gli speaker, ci hanno accompagnato in un viaggio alla scoperta di questi misteriosi oggetti astronomici che inizia addirittura nel XVIII secolo.

Infatti, era il 1763 quando John Michell in una lettera indirizzata a Henry Cavendish della Royal Society, ipottizza l’esistenza di corpi con una densità così elevata che la velocità di fuga da tali corpi risulta essere superiore alla velocità della luce.

Nel 1915, Albert Einstein pubblica la teoria di relatività generale.

Nel 1916, Karl Schwarzschild elabora quella che verrà poi chiamata la SoluzioneSchwarzschild dell’equazione della relatività generale.Nel 1967 il prof John Wheeler, definisce per la prima volta questi oggetti astronomici con il termine “Buco Nero”.

Ma cos’è un buco nero?

La definizione più classica, è di un oggetto astronomico con una forza gravitazionale talmente elevata che nulla può sfuggire dal suo interno, neanche la luce. Usando termini relativistici, diciamo che la massa tali oggetti è così densa da creare una deformazione dello spazio-tempo e la luce subisce, in dette condizioni, un Redshift gravitazionale infinito cioè perde tutta la sua energia tentando di uscire dal buco nero.

Caratteristico di questi corpi celesti è una zona chiamata Orizzonte degli eventi, un confine spazio-temporale dove qualsiasi fenomeno fisico non è osservabile dall‘esterno.

La soluzione Schwarzschild delle equazioni di Einstein (in assenza di materia), rappresenta un campo gravitazionale statico e a simmetria sferica, ciò implica l’esistenza di un confine ideale, detto appunto, orizzonte degli eventi dove sia la materia sia la luce possono muoversi solo in direzione del buco nero.

Quindi, qualunque cosa oltrepassi l’orizzonte degli eventi non sarà più in grado di tornare indietro.

Al centro del buco nero si trova una singolarità gravitazionale, un punto dello spazio-tempo dove il campo gravitazionale tende all’infinito. Nella soluzione di Schwarzschild la singolarità geometrica è collocata nell’origine delle coordinate.

Quello che abbiamo descritto ora è il Buco nero di Schwarzschild: Buco nero che riguarda appunto oggetti non rotanti e privi di carica elettrica. Questo tipo di buco nero, è quello di cui si è parlato principalmente al seminario.

 

Tuttavia, esistono altri tipi di buchi neri. Infatti, abbiamo anche:

Il Buco nero di Kerr, che deriva da oggetti rotanti e privi di carica elettrica, caso che presumibilmente corrisponde alla situazione reale. Il Buco nero di Kerr-Newman, dove abbiamo sia rotazione sia carica elettrica, e infine, il Buco nero di Reissner-Nordström: dove abbiamo carica elettrica e non rotazione.

Il processo di formazione principale di ogni buco nero è il collasso gravitazionale di stelle con masse molto elevate.

Quando le stelle sono altermine del proprio ciclo vitale, quindi hanno consumato tramite fusione nucleare il 90% dell’idrogeno, nel nucleo della stella si arrestano le reazioni nucleari.

A questo punto, la forza gravitazionale, che fino a quel momento era in equilibrio con la pressione generata dalle reazioni di fusione nucleare, prevale e la stella collassa (la sua massa si comprime verso il suo centro).

Tuttavia, non tutte le stelle possono formare buchi neri, la stella deve avere una massa molto grande, per intenderci molto superiore a quella del sole. Inoltre, sempre secondo la soluzione di Schwarzschild, un buco nero teoricamente potrebbe essere prodotto da un corpo celeste massivo solo se questo possiede una densità tale da essere interamente contenuto all’interno dell’orizzonte degli eventi, infatti un buco nero è anche definito come un oggetto che misura meno del suo raggio Schwarzschild.

 

I buchi neri possono generarsi anche da Stelle binarie, in questa caso, può succedere che dopo il collasso di una delle stelle, la prima inghiotta la stella compagna.

Uno degli aspetti forse più affascinanti di questi corpi celesti riguarda il tempo. Infatti più ci avviciniamo al buco nero più il tempo scorre lentamente.

Questo fenomeno è chiamato Dilatazione gravitazionale del tempo è l’effetto per cui il tempo scorre a differenti velocità in regioni con diversa forza gravitazionale. Maggiore è la gravita più lentamente scorre il tempo.

Quindi se immaginiamo di porre degli orologi a varie distanze dal un buco nero, vedremo le lancette scorrere più lentamente avvicinandoci al buco nero.

Come abbiamo detto, non è possibile osservare direttamente un buco nero con telescopi in grado di rilevare luce, raggi X o altre forme di radiazione elettromagnetica.

Per questo motivo, questi corpi sono studiati osservando gli effetti che esercitano nello spazio intorno a loro.

Infatti, tra le altre cose, ci è stato spiegato come, in teoria, si può identificare una zona dello spazio deve è presente un buco nero attraverso le microlenti gravitazionali ed utilizzando la luce emessa dalle stelle circostanti.

IMG 1055 1Parlando con il Prof Fabian e il Prof Maiolino, è stato domandato quali fossero le sfide future.

Ovviamente la prima risposta è stata la possibilità di “fotografare” questi oggetti astronomici.

Inoltre, dal punto di vista più tecnico, la sfida è una teoria di gravità quantistica che unifichi la teoria quantistica dei campi (denominata Modello standard), con la teoria della relatività generale.

Questa teoria avrebbe il pregio di risolvere il problema delle singolarità. Nella relatività generale, la comparsa di tali singolarità è comunemente considerata un elemento di rottura della teoria stessa.

[ in foto da sinistra a destra Prof. Andrew FabianRoberto Maiolinoil responsabile scientifico dell’Ambasciata Prof. Roberto Di Lauro e  il Vice Capo Missione dell’Ambasciata Vincenzo Celeste.]

Questa rottura, tuttavia, è prevista perché dovuta alla densità estremamente elevata e alle interazioni tra le particelle.

Ad oggi, non è stato possibile combinare in una singola teoria gli effetti gravitazionali e quelli quantistici, ma esistano diversi tentativi, un esempio è la teoria delle stringhe.

   

La sfida è quella di ottenere una teoria che combini tre delle forze fondamentali della natura (elettromagnetica, debole e forte) con la gravità.

Il Fisico statunitense Brain Greene, studioso della teoria delle stringhe, parlando dei buchi neri, ha detto:” I buchi neri sono un importante laboratorio teorico per testare idee.

Le condizioni all’interno di un buco nero sono così estreme, che analizzando gli aspetti dei buchi neri, abbiamo la possibilità di osservare lo spazio e il tempo in un ambiente particolare, un ambiente che ci offre un importante, a volte sconcertante, nuovo punto di vista sulla natura.

Credo che questo sia il modo migliore per descrivere il perché questi oggetti astronomici siano così affascinanti.

Il loro alone di mistero, ha il merito di risvegliare quella voglia di avventura e di conoscenza tipica del genere umano, la stessa voglia che, anche solo per passione, ci fa alzare gli occhi al cielo curiosi della realtà che ci circonda.

 

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