MI domandavo cosa fosse il buco nero che tanti scienziati cercano di definire voi sapete darmi qualche risposta in proposito?

Dovrebbero essere oggetti astrofisici talmente densi da deformare lo spaziotempo intorno a loro, in modo tale che nemmeno la luce riesce a sfuggirgli. Ho detto "dovrebbero essere" in quanto gli oggetti sono stati previsti teoricamente, ma il problema sulla loro "reale esistenza" è una questione aperta; ci sono tuttavia diverse conferme osservative di oggetti "strani" soprattutto al centro della nostra Galassia...

Si pensa che ve ne siano di diversi tipi:

- buchi neri stellari (con masse tipo quella del nostro Sole);

- buchi neri supermassivi (con masse enormemente più grandi di quella solare... da 10000 volte in sù) che potrebbero essere i candidati adatti per stare al centro di galassie;

Questi primi due tipi si formano per collasso gravitazionale di stelle supermassive (molto più del nostro Sole); vi è una terza categoria di buchi neri che si pensa che abbia diversa origine:

- buchi neri promordiali, formatisi nei primi momenti di vita dell'universo, che potrebbero tranquillamente "vivere" ancora attualmente nell'universo.

I buchi neri non si possono naturalmente osservare direttamente, poichè non emettono alcun tipo di radiazione (qui vi sarebbero da fare delle precisazioni) e dunque sarebbe possibile "osservarli" solo indirettamente, per gli effetti sullo spaziotempo vicino.


Vi sarebbero MOLTE altre cose da dire e da PRECISARE... ma solo se vuoi naturalmente...

purtroppo ancora conosciamo poco di questi simpatici oggetti;

anzi, peggio:
è nei buchi neri che incontriamo, più forte che mai, la contraddizione che vi è tra relatività e meccanica quantistica;

i buchi neri sono ciò che rimane della "morte" di una stella di massa superiore a quella del sole di almeno 4 volte: l'enorme forza gravitazionale esistente in un corpo così massivo fa sì che tutta la materia collassi su stessa nel momento in cui non vi è più la produzione di energia da parte della stella.

il buco nero è qualcosa di spaventoso; esercita una forza gravitazionale inimmaginabile!

è talmente forte che nemmeno la luce riesce a sfuggire! (da qui la caratteristica di non emettere radiazione)
oltre un limite denominato orizzonte degli eventi (il cui raggio fu calcolato da Schwarzild) la gravità non permette a nulla di allontanarsi;

Stephen Hawking scoprì negli anni '70 che invece qualcosa emettono:
questo effetto, denominato radiazione di Hawking, è dovuto alle fluttuazioni quantistiche che si verificano immediatamente fuori dall'orizzonte degli eventi;

(una coppia particella-antiparticella viene creata per un tempo talmente piccolo da non andar contro la legge di conservazione dell'energia, sfruttando il "margine" di tempo del principio di indeterminazione; l'antiparticella entra nel buco nero annichilendosi e restituendo l'energia "presa in prestito", mentre la particella parte per lo spazio esterno; ma tutto questo è poco importante)

le fantasie intorno a questi oggetti misteriosi sono notevoli:
qualcuno dice che siano "porte" per altri universi o per luoghi lontani del nostro universo, qualcun'altro pensa che siano uno "strappo" dello spazio-tempo, altri ancora ipotizzano che attraverso essi si possa addirittura viaggiare nel tempo!!!

la verità è che ancora sappiamo molto poco dei buchi neri, e l'unica cosa che possiamo fare è aspettare che la prossima teoria fisica e cosmologica (magari la teoria a loop o le stringhe) possa includere anche una spiegazione per questi fenomeni;

per ora, accontentiamoci di stupirci di fronte alla più incredibile manifestazione della forza della natura

Per qualche precisazione fortunatamente ci ha pensato Jack!

Questo che ho quotato è pure il meccanismo di polarizzazione del vuoto, come spiegato dalla elettrodinamica quantistica...

Una cosa non ho capito del tuo discorso, cioè questa: "è nei buchi neri che incontriamo, più forte che mai, la contraddizione che vi è tra relatività e meccanica quantistica".

Comunque se borderline volesse approfondire vi sono buoni articoli su wikipedia:
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero (è meglio il corrispondente articolo in inglese, però...)

come ben sai la meccanica quantistica descrive con accuratezza impressionante la vita subatomica; con altrettanta precisione, la relatività generale ci permette di studiare gli effetti della gravità;

e allora ci si chiede: possibile che la natura abbia leggi diverse su diverse scale? ovviamente tutti ritengono di no!

eppure continuiamo a vivere e a studiare due modelli diversi, a seconda di cosa abbiamo bisogno;

in casi estremi come il big bang o i buchi neri (cosiddette singolarità nello spazio-tempo) però l'incompatibilità tra le due teorie salta fuori:

da un punto di vista concettuale la MQ vorrebbe rilevare il gravitone, in quanto tutta la quantistica si basa (come fu per newton) su uno spazio-tempo fisso che fa da sfondo;
mentre la relatività, com'è noto, si fonda su uno spazio-tempo dinamico che si piega e fa le capriole;

anche da un punto di vista matematico le equazioni delle due teorie debbono fondersi (fallendo miseramente) per descrivere cosa accade nei buchi neri; ma non chiedermi chiarimenti perchè le uniche equazioni che ricordo sono le trasformazioni di lorentz (manco l'equazione di Schroedinger, ma sono giustificato: faccio medicina, mica fisica ).

ps-
dai un'occhiata all'articolo sulla gravità quantistica di wikipedia!

saluti

vi ringrazio per le vostre esaurienti risposte se qualquno a qualcosa d'aggiungere lo faccia pure e' un argomento estremamente interessante grazie
borderline65

Ah... borderline... ora ti dovrai leggere il mio sfogo...
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Riferito a Jack: sono consapevole dei problematici rapporti tra la meccanica quantistica e la relatività generale, ma avevo frainteso la tua frase, soprattutto la parola “contraddizione”... che sostituirei piuttosto con “inconciliabilità” (attuale)...

Il nocciolo della questione sta nel fatto che la teoria quantistica dei campi si comporta bene nello spaziotempo di Minkowski che è “piatto” (quello della relatività speciale), ma non è estendibile quando lo spaziotempo inizia a “curvarsi” (come quello teorizzato dalla relatività generale); come hai detto, figuriamoci poi in un buco nero, dove la curvatura al centro diventa matematicamente infinita (singolarità)!
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--> Ora mi sfogo un po’ e sarò felice se intraprenderete la lettura del mio sfogo relativistico <--

Vorrei precisare una cosa a proposito dei buchi neri che mi è venuta in mente parlando di spaziotempo curvo; vorrei procedere ad una “breve” spiegazione del perchè “la luce è come se venisse attratta dal buco nero”, anche se in realtà ciò non può avvenire; intorno a questi oggetti vi sono molte fantasie, ma si sanno diverse cosette (almeno a livello teorico!).

Faccio una premessa: quando dico il buco nero ‘è’, intendo ‘in teoria è’.


I buchi neri sono oggetti che sono stati previsti diversi decenni fa dalla teoria einsteiniana della Relatività Generale; ebbene ho già detto che codesta teoria prevede come soluzione alle sue equazioni oggetti talmente massivi e compatti (la densità non c’entra ora e lo spiegherò più avanti) da deformare il “tessuto” spaziotemporale in cui sono situati.

L’esempio che viene usato spesso in divulgazione, per far capire ciò, è quello del telo tirato al centro in modo da formare un avvallamento molto pronunciato; se ponete in moto una palla questa gira e rigira, ma finisce per cadere nell’avvallamento (nel buco nero). Ora la radiazione elettromagnetica ed i fotoni che la costituiscono NON sono “palline” massive (anzi sono particelle senza massa e per un approfondimento guardare questa pagina) e dunque NON sono soggetti alla forza gravitazionale, che si esplica SOLO tra due o più corpi dotati di massa; dunque NON è corretto dire che “la luce è attratta dal buco nero” (che indicherò con BH, Black Hole), ma è più corretto dire “la luce è come se venisse attratta dal BH”, ma NON lo è in realtà in quanto i fotoni NON possiedono massa e dunque NON possono essere soggetti ad attrazioni gravitazionali.

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Brevissima introduzione alla relatività generale ovvero perché i fotoni curvano?

La relatività generale non ragiona più in termini di forza gravitazionale, ma in termini di spaziotempo (una parola sola… il famoso continuum spaziotemporale dei film di fantascienza…) e delle sue “deformazioni”; lo spaziotempo viene “geometrizzato” e si dice che i corpi massivi “deformano” la geometria dello spaziotempo.

Per la relatività generale, la gravitazione NON è una forza; per essa l’azione gravitazionale si esplica come una modifica dello spaziotempo circostante il corpo massivo. E’ fondamentale anche considerare non semplicemente lo spazio ed il tempo, ma lo spaziotempo; non vi saranno più punti nello spazio, ma EVENTI nello spaziotempo.

Un noto esperto di relatività generale ha detto: “lo spaziotempo influenza le masse, determinandone il moto, mentre le masse influenzano lo spaziotempo, determinandone la geometria”; non è la citazione originale, ma comunque rende l’idea della reciprocità delle due azioni.

In questa ottica i fotoni ed anche le masse viaggiano in maniera libera nello spaziotempo, poiché non vi è alcuna forza gravitazionale alla quale possono venire sottoposti (il moto è appunto libero o per inerzia); la loro traiettoria è dunque “rettilinea”; in prossimità di un oggetto MOLTO massivo (tipo le stelle) il fotone/la massa CONTINUA a viaggiare “rettilineamente”, ma lo fa in uno spazio “curvo” o “deformato” e questa è l’unica azione che compie l’oggetto massivo; esso non “attrae” gli altri corpi, ma “deforma” lo spaziotempo in prossimità di esso, in modo tale che l’azione risultante sia figurabile come un’attrazione anche se in realtà questa NON vi è.

Pensate ad una linea retta tracciata su un foglio tenuto su un tavolo piano e poi prendete quel foglio e piegatelo/incurvatelo… che succede? La traiettoria rettilinea nella NUOVA geometria curva (quella del foglio) è ancora una retta, MA nella nostra geometria euclidea (geometria piana) quella traiettoria è una curva!

Tutte le masse deformano la geometria spaziotemporale, ma naturalmente le deformazioni più rilevanti saranno compiute da masse “astrofisiche”, cioè da pianeti, stelle, ammassi stellari, oggetti massivi e compatti come i BHs, galassie, ammassi di galassie ecc…

Questa è in soldoni il punto di vista molto “strano” della relatività generale.


continua...

Riprendiamo il discorso sui black holes, se c’è rimasto qualcuno...

Il BH è un oggetto definito entro un raggio caratteristico, detto di Schwarzschild (dopo lo spiego meglio); esso è talmente massivo e compatto che deforma in modo accentuato lo spaziotempo intorno ad esso e dunque i fotoni/le masse nella geometria incurvata dal BH, intorno ad esso, viaggiano ancora rettilinei, ma noi nella nostra amata geometria euclidea vediamo delle traiettorie spiraleggianti in caduta inesorabile verso il BH, cioè verso il raggio di Schwarzschild, chiamato orizzonte degli eventi, come è stato già detto da Jack.

Una volta che le masse (particelle, materiale interstellare, stelle…!) ed i fotoni (luce) cascano dentro il BH (attraversano l’orizzonte degli eventi), fanno una brutta fine ovvero gran parte delle proprietà dei mal capitati svaniscono; tutte le cose entrate nel BH collassano verso il centro, il quale è una “singolarità” gravitazionale (e matematica) di densità teoricamente infinita ovvero un punto con curvatura dello spaziotempo “infinita” (impossibile da visualizzare mentalmente, ma questo prevedono le equazioni.… non mi chiedete altro…). Anzi ciò che avviene all’interno di un buco nero, al contrario di quello che avviene in prossimità di esso, è uno degli aspetti meno compresi e probabilmente si faranno passi avanti in questo senso, quando la gravità verrà quantizzata ovvero si arriverà ad una “teoria quantistica della relatività”, cioè all’unificazione di meccanica quantistica e relatività generale.

Come ha detto Jack, però, il BH qualcosa dovrebbe emettere (radiazione di Hawking prevista teoricamente) e ciò è legato essenzialmente a questioni probabilistiche spiegabili con il principio di indeterminazione di Heisenberg; basti comunque sapere che il BH è come se poco a poco evaporasse.



Come ho già detto, l’osservazione dei BHs deve avvenire indirettamente, principalmente osservando i moti dei corpi “vicini” all’oggetto incriminato e la radiazione “particolare” prodotta da esso, cioè principalmente radiazione elettromagnetica di tipo X, NON ascrivibile a NESSUN altro oggetto astrofisico conosciuto così massivo e compatto.


----> Altre precisazioni più numeriche

Di BHs, come si è detto, ve ne potrebbero essere di diversi tipi, a seconda del tipo di origine (collasso di stelle supermassive, di stelle più snelle o origine cosmologica) ed ognuno di essi potrà avere dimensioni, masse e densità medie variabili a seconda della densità e della quantità di materiale che collassa; vi possono essere teoricamente buchi neri con densità media (escludendo il centro ) minore di quella dell’acqua o svariati miliardi di volte quest’ultima.

Il punto centrale è che per OGNI massa si può definire un raggio di Schwarzschild teorico come r = 2Gm/c^2 , in cui G e c sono costanti universali che non ci interessano ora e ‘m’ è la massa dell’oggetto; se abbiamo una certa massa ‘m’ (non so, quella della Terra, di altri pianeti, del Sole ecc…) e questa collassa su se stessa entrando nel PROPRIO raggio di Schwarzschild ‘r’, allora quell’oggetto si può definire buco nero, in quanto corpo con una velocità di fuga maggiore di quella della luce. La velocità di fuga di una certa massa astrofisica è la minima velocità che deve avere un corpo per “fuggire” dall’attrazione gravitazione di quella massa; se tale velocità è maggiore di quella della luce, NULLA può sfuggire a quella massa astrofisica poiché nulla viaggia ad una velocità maggiore a quella della luce (neppure la luce!). Questa è una spiegazione “classica”, ma non ci si deve lasciare fuorviare dal termine “attrazione” e spero che questo sia chiaro dal post precedente sulla curvatura dello spaziotempo.

Faccio un riassuntino: il BH è un oggetto dotato di una massa talmente elevata e compatta che deforma in modo importante lo spaziotempo circostante e quello che esso occupa (generando teoricamente un centro di curvatura infinita), in modo tale che neppure la luce, che possiede una elevatissima velocità, circa 300000Km/s (la MAX raggiungibile in natura, almeno fino a prova contraria), riesce a sfuggirvi e da qui l'aggettivo “nero”. Il buco nero, insomma, si mangia tutto, pure i malcapitati fotoni.

Per completezza di informazione devo dirvi che vi sono più tipi di buchi neri postulati teoricamente con caratteristiche pure diverse tra loro; comunque si pensa che probabilmente i BHs siano in forte rotazione su se stessi (tipo trottole), data la solita legge di conservazione del momento angolare.


Ho notato che abbiamo parlato pochissimo del processo di origine dei BHs, mannaggia…

…comunque è stato già segnalato che su wikipedia si trova parecchio materiale che considero in certi casi troppo “specialistico” e non a livello divulgativo.


Ciò che ho scritto è farina del mio sacco e dunque potrebbe non essere esente da imprecisioni (spero che non vi siano grossolani errori!); alcune cose sono un po’ un tanto al kilo, ma spero almeno comprensibili e sostanzialmente corrette......tanto pure i cosmologi stanno in alto mare... si fa per dire...


Scusate lo sfogo.............

Rimedio a qualche imprecisione e lacuna.

Ho detto nel post precedente che l’osservazione dei BHs deve avvenire indirettamente, principalmente osservando la radiazione “particolare” prodotta da esso, cioè principalmente radiazione elettromagnetica di tipo X, NON ascrivibile a NESSUN altro oggetto astrofisico conosciuto così massivo e compatto.

Ora questa frase può prestarsi a fraintendimenti: l'unica "radiazione" prodotta direttamente da un BH è quella teorica di Hawking, che non è che sia tutto sto' granchè.

La radiazione X a cui mi riferivo è quella della materia in rapida rotazione e caduta situata all'esterno di un BH; tale radiazione è "prodotta" indirettamente da esso ovvero non si conoscono altre sorgenti astrofisiche così massive e compatte tali che la materia intorno ad essi si possa riscaldare tanto da produrre radiazione X così particolarmente energetica; quest'ultima, osservata e studiata, è di gran lunga maggiore di quella teorica di Hawking.

Vi chiederete da dove piglia tutto questo materiale il buco nero. Ebbene molti candidati fanno parte di sistemi binari, in cui per esempio l'altro corpo è una stella parecchio massiva dalla quale il BH si succhia a poco a poco massa; questa si stabilizza intorno al BH, in un disco di accrescimento, e poi finisce pure per cadervi dentro. Questa "massa" rubata produce della radiazione "peculiare" e dal moto di rotazione del materiale e dagli X prodotti da esso, si deduce che nessun oggetto compatto conosciuto può presentare tali particolari proprietà, dunque le accuse di furto cadono sui BHs. (allego una immagine che spiega tale processo, prelevata da wikipedia).

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Due parole sull'origine dei BHs stellari.

Si sa che stelle con massa iniziale maggiore di 8 masse solari (8 volte la massa del Sole) finiscono la loro vita come "stelle di neutroni" ovvero oggetti compatti, MOLTO densi e massivi, formati essenzialmente da neutroni (qui vi sarebbe molto da approfondire!); la loro formazione è accompagnata da una "Supernova" (di particolare tipo) ovvero una forte esplosione che spazza via tutto il materiale esterno alla stella ormai morta (il bagliore di tale fenomeno può essere pari a quello di un'intera piccola galassia; per qualcosina a proposito vedere QUI). Ciò che rimane della vecchia stella è appunto questo nucleo composto di neutroni, nel quale il collasso viene fermato da una "pressione" verso l'esterno generata dai neutroni stessi, ben impacchettati tra loro (e pure qui ci sarebbe molto altro da dire).

Ora le stelle di neutroni, da calcoli teorici di relatività, hanno una massa limite di massimo 2-3 masse solari; se ciò che rimane dopo la Supernova è un nucleo con una massa maggiore di questo limite, neppure la "pressione" dei neutroni è in grado di fermare il collasso gravitazionale degli strati esterni. Anzi quella pressione, in queste condizioni di materia "degenere" (totalmente diversa dalla materia ordinaria), genera gravità e dunque non si oppone al collasso degli strati esterni, ma lo favorisce!

L'esito previsto è quel mostro chiamato "buco nero". Il processo che ho descritto si riferisce solo ad una certa categoria di BHs, cioè a quella dei BHs stellari, che dovrebbe essere la categoria più numerosa.

In conclusione le stelle con massa maggiore di 8 masse solari che durante la loro vita subiscono successive esplosioni e collassi tali che alla fine ne rimane un nucleo compatto con massa maggiore di 2-3 masse solari, potrebbero diventare buchi neri di tipo "stellare" (che si considerano quelli non più pesanti di 20 masse solari).

C'è da dire pure che si ritiene che molte galassie ospitino al centro un buco nero (è un ospite particolarmente "esigente"!), ma in tal caso questi sarebbero di tipo "supermassivo" (anche milioni di volte la massa del nostro sole) e chiaramente l’origine di tali oggetti è differente, ma non molto conosciuta; si pensa forse che siano dovuti all’unione di più BHs stellari (sono pure cannibali), che nel tempo hanno acquisito masse enormi fagocitando anche altri corpi astrofisici.

Mi fermo qua e rinnovo la speranza di non aver fatto errori grossolani.




Ecco l'immagine (non reale!) di un buco nero stellare in un sistema binario, che a poco a poco si succhia la malcapitata compagna; si nota il disco di accrescimento (in blu) e due fasci opposti di radiazione, dovuti al fatto, che come ho detto, i BHs dovrebbero ruotare come delle trottole (quei fasci corrispondono all'asse della trottola e pure qui si potrebbe approndire, ma il discorso diventerebbe veramente troppo specialistico...).

Immagini allegate

black hole.jpg (2.9 KB, 197 visite)

grazie per le varie spiegazioni soprattutto a nexus6 molto esauriente hanno fatto luce su questo grande mistero se avete ancora notizie scrivete pure l'argomento e' molto interessante
borderline65