Il buco nero 2

Ne “Il buco nero” ho parlato di Terra, velocità “umana” e velocità della luce.

È importante capire la differenza, ma non solo. La velocità della luce è quella massima a cui un qualunque oggetto dotato di massa può andare.

Se ci pensiamo, sembra assurdo.

Se a un corpo viene applicata una forza, infatti, la sua velocità non potrà che aumentare. O almeno così sembra, considerando le nostre esperienze di tutti i giorni. Oltre un secolo fa, però, Albert Einstein dimostrò che l’energia di un corpo qualsiasi è legata alla sua massa secondo la famosa equazione E=mc2, dove “c” è la velocità della luce (299.792,458 km/s).

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Questa relazione dice, tra l’altro, che energia e massa sono due entità equivalenti, che possono trasformarsi l’una nell’altra. E questo è esattamente ciò che accade quando acceleriamo un oggetto (anche se noi non ce ne accorgiamo): l’energia che gli imprimiamo va in piccolissima parte ad aumentare la sua massa.

A mano a mano che la velocità aumenta, però, occorre sempre più energia per aumentarne ulteriormente la velocità, e questo accade perché sempre più energia si trasforma in massa. In pratica, quanto più ci si avvicina alla velocità della luce, tanto più l’oggetto diventa massiccio e inamovibile. Al 99,9% della velocità della luce, per esempio, un uomo di 80 kg avrebbe una massa di circa 2 tonnellate.

Cercare di “spingerlo” per fargli superare la “barriera” della luce avrebbe come unico risultato quello di aumentare la sua massa di tantissimo, lasciandone la velocità praticamente inalterata. Ecco perché la velocità “c” non può essere mai raggiunta.

Ma torniamo a noi.

Da queste cose abbiamo capito che tutto quello che vediamo (ed anche quello che non vediamo direttamente), che si chiama materia, sta ad indicare genericamente qualsiasi oggetto che abbia massa e che occupi spazio; oppure, alternativamente, la sostanza di cui gli oggetti fisici sono composti, escludendo quindi l’energia, che è dovuta al contributo dei campi di forze.

Prima di arrivare al buco nero devo spiegare un’altra cosa.

Insieme a Galileo e Einstein, c’è un altro scienziato che può essere considerato tra i padri della scienza. Isaac Newton.

Egli scoprì una cosa fondamentale: la gravità.

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L’immagine riproduce il famoso episodio (che in realtà probabilmente non è mai accaduto) in cui Isaac Newton, colpito da una mela mentre riposava sotto un albero, concepì all’improvviso la teoria sulla gravitazione. Newton in realtà si è occupato di tantissimi aspetti delle scienze e ha dato un contributo fondamentale alla fisica con la sua opera Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.

La forza di gravità produce numerosi effetti: fa cadere il gelato a bambini distratti e “accende” le stelle facendo sì che polveri e atomi di idrogeno sparsi nell’universo si “attirino” tra loro fino a formare enormi sfere di gas dal diametro di milioni di chilometri che innescano le reazioni di fusione nucleare necessarie a far nascere le stelle.

Ricordate che la forza di gravità è esercitata da tutti gli oggetti: la palla di gelato attira il pianeta e il pianeta attira la palla (tra i due chiaramente è la palla a spostarsi, perché ha una massa minore).

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Visto che la Terra ha una grandissima massa, attrae a sé tutto, dalle palle di gelato alle montagne. Anche la Luna è lì perché viene attratta dalla Terra.

In realtà la Luna (e tutti i satelliti) è lì perché è come se fosse la sfera di un lanciatore di martello che gira, gira, ma non la fa mai andare.

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Ma se volessimo andare via dalla Terra? Facile, usiamo un razzo!

Per dare una risposta corretta a questa domanda, però, si deve ricorre al concetto di velocità di fuga, che non è la velocità necessaria per scappare dalla classe per evitare l’interrogazione.

La velocità di fuga è la velocità minima iniziale che un corpo posto sulla superficie di un pianeta, o di una stella, deve possedere per poter vincere la gravità e allontanarsi dal corpo celeste per sempre.

La Scienza consente di calcolare questa velocità minima, che sarà tanto più grande quanto più grande è la massa del corpo celeste, e tanto più piccola quanto più grande è il raggio. Facciamo qualche esempio.

Sulla superficie della Terra la velocità di fuga è di circa 40.000 km/h (11.2 km/s), a velocità minori il corpo ricadrà sulla superficie oppure entrerà in orbita intorno alla Terra.

La Luna ha una massa e un raggio pari a circa 1/81 e 1/4 delle rispettive quantità terrestri (cioè massa e raggio 81 e 4 volte più piccoli, rispettivamente), e quindi una velocità di fuga minore, e cioè di circa 8.300 km/h.

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È chiaro, però, che un razzo o un aereo, che sono dotati di motori, avranno bisogno di una velocità minore per abbandonare la superficie, perché l’energia del motore contribuirà a vincere la resistenza della gravità, che è quanto succede quando vediamo i razzi partire per le missioni spaziali.

E se volessimo partire dalla superficie del Sole?

Intanto, dovremmo resistere a temperature molto alte, ma superato questo ostacolo, dovremmo avere una velocità iniziale di 618 chilometri al secondo, che equivalgono a 2.224.800 chilometri orari!

Esistono nell’Universo oggetti più grandi e più massicci del Sole? Ma certo! Anzi, a dirla tutta, il Sole è un oggetto piccolo, rispetto alle Stelle medie.

Senza addentrarmi troppo nei meccanismi, ci sono stelle così grandi, ma così grandi che, se non esplodono, si contraggono fino a concentrare tutta la massa in un punto solo.

Eccoci arrivati.

Un buco nero è una regione dello spazio in cui il campo gravitazionale è così forte che qualsiasi cosa giunga nelle vicinanze viene attratta e catturata, senza possibilità di sfuggire all’esterno. In teoria si può paragonare un buco nero ad una Stella, caratterizzata da una massa molte volte superiore a quella del Sole, che si contrae, aumenta la sua densità e crolla sotto il proprio peso concentrando la propria massa in un unico punto detto, appunto, buco nero.

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Il buco nero formatosi è caratterizzato da una gravità talmente forte da far perdere la propria identità e la propria luce a qualsiasi segnale luminoso o particella attratti, impedendone la “fuga” e rendendo il corpo interessato totalmente invisibile a qualsiasi osservazione.

I buchi neri vengono classificati in base alla loro massa ed esistono fondamentalmente quattro categorie di buchi neri:

  • super-massicci
  • di massa intermedia
  • stellari
  • micro-buchi neri

I buchi neri super-massicci sono i più grandi tipi di buchi neri caratterizzati da una massa milioni di volte superiore rispetto a quella del Sole. Essi sono caratterizzati da una densità media inferiore rispetto a quella dell’acqua ed inversamente proporzionale al quadrato della sua massa. In base ai numerosi studi effettuati, si ritiene che almeno un buco nero super-massiccio sia presente al centro di ogni galassia, inclusa la Via Lattea.    

Una caratteristica peculiare di ogni buco nero è l’orizzonte degli eventi, una superficie immaginaria caratterizzata dal fatto che in ogni suo punto la velocità di fuga e la velocità della luce si equivalgono. Se all’interno dell’orizzonte degli eventi si verifica un evento, questo non può essere visibile da un osservatore esterno: è visibile solo ciò che avviene all’esterno dell’orizzonte degli eventi.

La forma dell’orizzonte degli eventi è pressoché sferica e la sua posizione è fortemente influenzata dalla massa del buco nero: se la massa è il doppio di quella del Sole, il raggio della regione invisibile è circa 6 km.

Gli scienziati del progetto internazionale Event Horizon Telescope (Eht), mercoledì 10 aprile 2019, hanno pubblicato la prima, storica immagine di un buco nero. Si tratta del buco nero super-massiccio sito nel cuore della galassia M87, a 50 milioni di anni luce dalla Terra. L’immagine del secolo è stata ottenuta puntando la galassia con otto potentissimi radiotelescopi.

Il risultato visibile nell’immagine è molto simile a ciò che si aspettavano di vedere gli scienziati e a ciò che è emerso dalle simulazioni, ovvero un anello di plasma attorno a un’area nera. Dove la luce si interrompe inizia l’orizzonte degli eventi, il “confine” in cui spazio e tempo vengono distorti e superato il quale nemmeno la luce può sfuggire. I buchi neri sono infatti tecnicamente invisibili; la loro immensa attrazione gravitazionale non lascia passare qualunque tipo di radiazione elettromagnetica, come raggi X, luce visibile e infrarossi.

Il buco nero super-massiccio immortalato nel cuore della galassia Messier 87 (M87), rappresentato dal disco scuro al centro dell’immagine, ha una massa di 6,5 miliardi di soli.

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Ecco, Alessandro, questo è un buco nero.

Einstein diceva: “Non hai veramente capito qualcosa finché non sei capace di spiegarlo a tua nonna”, o, aggiungo io, a tuo figlio di sette anni (e spero di esserci riuscito).

6 pensieri su “Il buco nero 2

  1. Mi rimangono alcuni dubbi.
    Il buco nero può “catturare” qualsiasi cosa? Nel senso, potrebbe “mangiarsi” tutto l’universo, oppure ha un limite di inglobazione? L’universo terminerà con un unico immenso buco nero che poi esploderà rifacendo tutto daccapo?

    Piace a 1 persona

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