I Buchi Neri Cenni Storici Un buco nero in breve Teorie derivate Formazione e caratteristiche Osservazione Uscita e Credits Cenni storici John Mithcell e Pierre Simon de Laplace calcolarono che stelle di oltre 500 masse solari potevano impedire alla luce di uscire dal campo gravitazionale. Nel 1915, con la teoria della Relatività Generale, Einstein previde che lo spazio si deformi in vicinanza di corpi molto massivi. Lo stesso anno, Schwarzschild dimostrò la possibilità che potesse esistere un campo gravitazionale generato da un punto. Nel 1939, Robert Oppenheimer, realizzatore della bomba atomica, calcolò che, quando la massa di una stella supera di tre volte quella solare, il campo gravitazionale raggiunge intensità talmente elevate da far collassare l’astro. Stephen Hawking e Roger Penrose, nel 1970, dimostrarono come l’evoluzione di alcuni corpi sia inevitabilmente un collasso gravitazionale. Menù Iniziale Buco Nero in breve Massa minima (della stella d’origine): 3 masse solari (1,9891 × 1030 kg) ( sono teorizzabili buchi neri di masse infime, ma con densità molto elevate ) Velocità di fuga = velocità della luce (300.000 km/s) Raggio dell’Orizzonte degli Eventi: 2GM/c² ( c = velocità della luce, G = costante di gravitazione universale, M = massa ) Temperatura: Һ c³/ 8πGMĸ ( Һ = costante di Planck, k = gravità all’orizzonte ) Menù Iniziale Menù Iniziale Formazione Morte della stella (supernova): quando le reazioni termonucleari bruciano tutto l’idrogeno della stella, l’astro subisce una forte espansione e successivamente esplode, espellendo gli strati più esterni. Collasso gravitazionale della materia residua: se la massa restante supera le 3 masse solari, la forza di gravità del nucleo è talmente elevata che la stella implode. Nascita della singolarità La massa si concentra in un solo punto di densità infinita e volume zero. Ancora oggi, l’esistenza della singolarità rimane un punto irrisolto della fisica. I buchi neri possono formarsi dovunque, ma oggi si pensa che al centro di ogni galassia vi sia un enorme buco nero, un buco nero supermassivo. clicca qui per visionare il quadro dell’evoluzione stellare Menù Iniziale Orizzonte degli Eventi (o raggio di Schwarzschild) È una superficie immaginaria all’interno del quale la velocità di fuga è maggiore di quella della luce, pertanto si considera il confine del buco nero. La leggi della fisica classica non hanno valore all’interno dell’orizzonte degli eventi, dove lo spazio-tempo assume caratteristiche molto diversi dalla realtà. Tutto ciò che oltrepassa l’Orizzonte degli Eventi non può più tornare indietro. Perché la luce risente della presenza di una massa? (clicca qui) Menù Iniziale I buchi neri sono veramente neri? Stephen Hawking dimostrò che i buchi neri emettono una radiazione, o massa (E=mc²), perdendo costantemente energia. Radiazione di Hawking: i buchi neri emettono un numero di particelle inversamente proporzionale alla loro massa. Questo processo è definito “evaporazione”. Questo fenomeno è però puramente quantistico e non è dimostrabile con le teorie classiche. È chiaro però che i buchi neri hanno una temperatura. Menù Iniziale Curvatura dello Spazio Come fanno i fotoni, corpi privi di massa, a interagire con un campo gravitazionale? Secondo la Relatività Generale di Einstein, ogni corpo massivo crea una deformazione dello spazio circostante. Questa deformazione è inconcepibile nello spazio 3-D a noi noto, ma per dimostrarla Einstein sfruttò la geometria non euclidea di Reinmann. Per semplificare, è possibile ridurre l’Universo ad una tela su cui vengono poggiati dei corpi: ognuno di questi risentirà della presenza degli altri. Tutti i corpi, anche la luce, risentono della curvatura. Menù Iniziale Glossario • Big Bang: la più accreditata teoria sulla nascita dell’universo. Al tempo Zero, la materia era concentrata in un punto; un “istante” dopo si crearono spazio, tempo ed energia. • Campo: è una regione di spazio interessata da una certa proprietà (in questo caso, dalla forza di gravità). • E=mc² : stabilisce la relazione tra massa (a riposo) ed energia di un corpo, proporzionali del quadrato della velocità della luce. Einstein, nella Relatività Ristretta, spiegò così l’equivalenza tra massa ed energia, con importanti risvolti tecnico-scientifici (l’energia nucleare). • Relatività Generale: è la teoria con cui Albert Einstein rivoluzionò la cosmologia e la fisica. Il copro di questa teoria è composto dalle dieci equazioni del campo di Einstein, che spiegano la curvatura e il concetto di spazio-tempo. • Velocità di fuga: è un determinato valore di velocità per cui un corpo riesce a fuggire alla forza di gravità che lo lega ad un pianeta (sulla superficie terrestre v = 11200 m/s). Menù Iniziale Teorie derivate dai buchi neri Wormhole I Wormholes vengono anche definiti “tunnel cosmici”, furono teorizzati da John Wheeler. Questa teoria nasce dalla convinzione che un buco nero possa unire due “lembi” dello spazio-tempo, e ciò permetterebbe di coprire distanze cosmiche in un istante. Sebbene l’esistenza dei Wormhole sia stata dimostrata matematicamente, essendo essa garantita dalle leggi del Relatività Generale, non ne esiste alcuna osservazione diretta. Menù Iniziale Teorie derivate dai buchi neri Buchi bianchi È una suggestiva teoria, derivata dai wormhole, secondo la quale ad ogni buco nero corrisponde un buco bianco. La proprietà di questi corpi sarebbe quella di emettere la materia risucchiata dai buchi neri ed espellerla, forse sottoforma di antimateria, dopo il passaggio nel wormhole. L’esistenza di buchi bianchi non collegati a nessun buco nero è invece molto discutibile. I buchi bianchi non sono mai stati osservati, e non esiste tutt’oggi nessuna teoria valida che determini una loro probabile esistenza. Immaginaria rappresentazione di un buco bianco. Menù Iniziale Teorie derivate dai buchi neri Big Crunch Tra le teorie sulla fine dell’universo, una delle più accreditate è quella del Big Crunch o Grande Implosione. Tale teoria prevede che l’Universo, oggi in espansione, rallenti il suo moto fino ad arrestarsi e successivamente collassi su sé stesso. Si giungerebbe ad una situazione di singolarità gravitazionale (un buco nero), simmetrica rispetto all’uovo cosmico che avrebbe originato il Big Bang. La condizione necessaria a questo processo è che il valore di densità media dell’Universo superi un valore ben definito che prende il nome di “densità critica”. Menù Iniziale Come si osserva un buco nero? L’osservazione diretta di un buco nero non è possibile; tuttavia esso può modificare lo spazio circostante in modo tale da determinare fenomeni rilevabili da strumenti sensibili a radiazione elettromagnetica di vario tipo. L’osservazione di tali fenomeni può costituire una prova indiretta dell’esistenza di questi oggetti. I buchi neri si possono manifestare in diversi modi: • buchi neri isolati, collocati in una regione dello spazio a bassissima densità. Si può verificare che la luce di un oggetto collocato al di là del buco, sulla sua stessa direzione venga deflessa per effetto della curvatura dello spazio prodotta dal campo gravitazionale, e l’immagine del corpo celeste risulti distorta come se fosse osservata attraverso una lente ( “lente gravitazionale”). • buchi neri isolati circondati da materia interstellare. Quest’ultima cadendo lungo traiettorie a spirale verso l’orizzonte degli eventi si riscalda e comincia ad emettere radiazione elettromagnetica in tutte le frequenza rilevabile grazie all’utilizzo di radiotelescopi. •Se un buco nero si forma in un sistema binario, il suo campo gravitazionale attrae materia della stella compagna, e tale materia, cadendo nel buco lungo traiettorie a spirale, si addensa in un disco di accrescimento che cresce di dimensioni fino a raggiungere una situazione stazionaria. All’interno del disco, compressione e vorticità portano la materia a raggiungere temperature elevatissime (decine di milioni di gradi) sufficienti a produrre emissione di raggi X. Esempio di sistema binario con buco nero Il suono di un buco nero Menù Iniziale Radioastronomia e radiotelescopi La radioastronomia è una nuova scienza che si occupa dell’astronomia del cielo extraottico, ossia nient’altro dello studio del cielo dalle lunghezze d’onda non visibili all’occhio umano. Un radiotelescopio è un telescopio che è specializzato nel rilevare onde radio emesse dalle varie radiosorgenti sparse per l'Universo, generalmente grazie ad una grande antenna parabolica, o più antenne collegate. È costituito da un collettore di onde radio e da un rilevatore, fornito a sua volta di uno spettro astronomico. I radiotelescopi possono osservare molti tipi di oggetti diversi: le pulsar radio o i quasar sono gli esempi più famosi e spettacolari. Importanti caratteristiche di un radiotelescopio sono : Sensibilità = capacità di rivelare segnali deboli. Potere di risoluzione = Capacità di distinguere oggetti vicini. La radiazione elettromagnetica proveniente da un oggetto celeste viene riflessa nel fuoco primario (a sinistra); se in questo fuoco viene posto un secondo "specchio" la radiazione giunge nel fuoco secondario (a destra), dove è più semplice collocare gli strumenti per rivelarla. Menù Iniziale Gli spettri radioastronomici Ottenere lo spettro di una radiazione elettromagnetica significa misurare la sua intensità per ogni intervallo di frequenza. Lo spettro di un oggetto celeste può fornire indirettamente informazioni sull'oggetto stesso, impossibili da ottenere in altro modo: la sua temperatura superficiale, la sua composizione chimica, la velocità a cui ruota, etc. Il caso più comprensibile è quello della luce, somma di tutti i colori dell’iride che hanno però differente frequenza e luminosità tra loro Per poterli osservare separatamente, è necessario scomporre la luce bianca: quello che si ottiene è uno spettro ottico che appare più luminoso nella parte gialla che nei restanti colori. Lo spettro è però solcato da numerose righe scure, le frequenze che mancano, e che perciò lasciano una riga buia, sono state "catturate" dagli elementi chimici che si trovano nell'atmosfera del Sole. Poiché ciascun elemento (o molecola) è in grado di assorbire ben note frequenze, lo spettro permette di identificare gli elementi e i composti che si trovano nell'atmosfera del Sole. Nella banda radio lo spettro si ottiene effettuando una opportuna analisi del segnale raccolto dall'antenna e trasformato in segnale elettrico. Il prodotto finale è un grafico che mostra la potenza della emissione radio proveniente dalla sorgente in funzione della frequenza. Le righe in assorbimento appariranno come "buche" al di sotto del continuo, mentre quelle in emissione si distingueranno come "picchi". Come nel caso ottico, lo spettro radio consente di avere informazioni sulla fisica, sulla chimica e sulla dinamica della sorgente che si sta osservando, ricostruendo anche mappe relative ai diversi elementi osservati. L’antenna radioastronomica Il segnale radioastronomico non subisce una variazione nel tempo e si manifesta come un segnale incoerente a spettro continuo irradiato su tutte le frequenze. L’antenna è costituita da un paraboloide di rivoluzione metallico completamente orientabile che concentra la radiazione elettromagnetica incidente nel suo fuoco (l’ apparato ricevente). In radioastronomia, come in astronomia ottica, si sfruttano combinazioni di più specchi per ottenere una maggior distanza focale in uno spazio più compatto e più posizioni nelle quali allocare gli apparati di ricezione. In radioastronomia si utilizza l’ottica ondulatoria secondo cui, da un’immagine puntiforme si ottiene una figura di diffrazione costituita da un disco centrale circondato da una serie di anelli (disco di Airy) , la cui dimensione caratteristica entro il diametro interno del primo anello è la seguente : D= diametro dello specchio primario λ = lunghezza d’onda osservata Il raggio del disco costituisce il limite del potere risolutivo raggiungibile, determinato dalla dimensione dello specchio primario. Dato che il potere risolutivo di una singola antenna è molto basso si è ricorso all’ interferometria a sintesi di apertura, tecnica basata sull’interconnessione di più antenne operanti simultaneamente:l’insieme delle antenne è chiamato radiointerferometro. Il potere risolutivo di un radiointerferometro è lo stesso che si avrebbe con una singola antenna avente diametro pari alla lunghezza della linea di base. Per effettuare una corretta composizione dei dati le antenne, connesse tra loro via cavo o via ponte radio, sono perfettamente sincronizzate tra loro. Il fronte d’onda emesso da una radiosorgente percorre una lunghezza diversa per raggiungere le due antenne e la differenza di cammino vale: Menù Iniziale D= distanza tra le antenne θ = angolo di elevazione della radiosorgente Menù Iniziale Cos’é una “lente gravitazionale”? Per “lente gravitazionale” si intende un corpo celeste che,come una comunissima lente, possiede la peculiarità di alterare il percorso della luce che lo attraversa, grazie alla curvatura dello spazio prodotta dalla sua massa. Particolare esempio di “lente gravitazionale” detto croce di Einstein. a Esempi di lenti gravitazionali. Si tratta di un fenomeno prospettico dovuto al fatto che,rispetto ad un osservatore sulla Terra,due o più oggetti posti a diverse distanze si trovino allineati lungo un identica linea di mira. La luce dell’oggetto più lontano viene deviata dal campo gravitazionale di quello più vicino, dando vita all’effetto di distorsione. NB:la teoria prevede che la “lente” si debba trovare a metà strada tra l’osservatore e la sorgente solo se essa stessa è di tipo puntiforme (ad esempio un buco nero). Il fenomeno più spettacolare prodotto dalle “lenti gravitazionali” è sicuramente il cosiddetto anello di Einstein. Esso si verifica quando la sorgente luminosa ed il corpo celeste che funge da lente sono posti sulla stessa linea di vista dell’osservatore: di conseguenza si un anello luminoso. a b Esempi di anelli di Einstein. c d Menù Iniziale Il suono di un buco nero Grazie a CHANDRA l’osservatorio ai Raggi X fra le stelle della NASA è stata per la prima volta individuata un’onda sonora proveniente da un buco nero a circa 250 milioni di anni luce dalla terra. Nel 2002 gli astronomi ottennero un’immagine che mostrava delle increspature nei gas che circondano la costellazione. Queste increspature sono evidenze di onde acustiche che hanno viaggiato per centinaia di migliaia di anni luce dal buco nero verso il centro della costellazione. Precedenti osservazioni hanno rivelato il prodigioso ammasso di luce e calore originato dal buco nero, successivamente anche il suo suono. In termini musicali la variazione del suono creato dal buco nero lo trasla nella nota di "SI bemolle”. Purtroppo nessun essere umano sarà in grado di ascoltare questa nota, dato che è 57 ottave più bassa della nota "DO" medio. Queste onde sonore potrebbero darci un aiuto a capire come si evolvono le più grandi strutture conosciute dell’Universo. Immagini elaborate da Chandra. In precedenza, le registrazioni avevano rivelato due vaste cavità a forma di bolla che si estendevano dal centro della zona del buco nero verso la periferia della galassia. Queste cavità erano state formate da flussi di materia che sembravano respingere il gas galattico. I flussi, un effetto anti-intuitivo rispetto all’immagine del buco nero che ingoia materia circostante, sono stati a lungo sospettati di essere la causa del riscaldamento dei gas, ma l’esatto meccanismo restava sconosciuto. Le onde acustiche osservate propagarsi verso l’esterno, potrebbero aiutarci a capire il meccanismo. Credits Sitografia • www.wikipedia.org – The Free Encyclopedia • www.torinoscienza.it – Portale di divulgazione • www.esa.int – Agenzia Spaziale Europea • www.cosediscienza.it • www.vialattea.net – Divulgazione Scientifica Fine Il lavoro è stato effettuato dagli alunni della V D a.s. 2006/2007 del Liceo Scientifico “G. Salvemini”