giovedì 9 gennaio 2014

Come sono fatti e come nascono i buchi neri?



Singolarità, Raggio di Schwarzschild, Orizzonte degli eventi: Si sente spesso parlare di buchi neri, anche anche su questo sito, ma sappiamo veramente da dove arrivano?

Fino a non molto tempo fa, molte persone tra cui anche scienziati di spicco, mettevano in dubbio l'esistenza di questi strani oggetti.
Oggi invece la loro esistenza è una certezza e abbiamo anche centinaia di immagini che mostrano più o meno indirettamente la loro presenza.

Puoi leggere tanti altri nostri approfondimenti sui buchi neri in questa raccolta.


Un buco nero non è altro che una stella la cui compressione gravitazionale ha schiacciato la sua materia fino ad un  volume prossimo allo zero. 
Abbiamo quindi densità infinita, temperatura infinita, e una velocità di fuga impossibile da raggiungere: più alta della velocità della luce. E, come ci insegnano gli astrofisici, niente e nessuno può muoversi più velocemente della luce.
Questo è un luogo dove tutte le leggi della fisica vengono meno, e dove la materia assume proprietà che non possiamo descrivere con precisione.
La Fisica Quantistica si sforza di esprimere le condizioni che esistono all'interno di un buco nero ma i risultati sono ancora pura teoria.

Ma come si formano questi mostri cosmici?

Un buco nero si forma nelle fasi finali della vita di una stella molto massiccia.
Una stella la cui massa è inferiore a 1,4 masse solari è destinata a diventare una nana bianca, con dimensioni circa quelle della Terra.

Una stella molto massiccia invece, al termine della sua breve vita, dopo aver esaurito il suo combustibile nucleare, passa allo stadio di gigante o super-gigante rossa. 
In questa fase la stella rilascia intorno a lei gran parte della sua massa, dopo di che il nucleo di ferro esploderà in una supernova. 

Abbiamo approfondito le supernovae in questo articolo: Come nascono le supernovae e perché sono così importanti per l'uomo.

Se invece la stella è molto massiccia, dopo questa esplosione, Il peso schiacciante della materia che compone la carcassa della stella morente, e la gravità da essa generata, portano il suo volume (lo spazio occupato) ad un punto prossimo allo zero e una conseguente densità infinita.
Ecco che nasce quella che i cosmologi chiamano "singolarità": il cuore di un buco nero.

I dettagli della struttura di un buco nero vengono calcolati dalla teoria generale della relatività di Albert Einstein, ma parole semplici la singolarità costituisce il centro del buco nero.
Questa singolarità è avvolta e nascosta da una zona all'interno della quale la velocità di fuga teorica (cioè la velocità necessaria per uscire dal campo gravitazionale) supera la velocità della luce, impedendo alla luce stessa di sfuggire nello spazio circostante.
Questa zona in cui nemmeno la luce riesce a scappare dalla singolarità è chiamata "raggio di Schwarzschild".

Si suppone che la dimensione del raggio di Schwarzschild sia proporzionale alla massa della singolarità al suo interno.
Pensate, per un buco nero con una massa 10 volte più grande del Sole, il raggio sarebbe di 30 km!! Non trovate anche voi che sia straordinariamente piccolo per la forza che ha?

Il limite estremo che definisce questa zona di non ritorno è L'orizzonte degli eventi. 
Da questo limite in avanti la luce torna ad essere visibile e ciò che ci mostra è la conseguenza della potenza gravitazionale del buco nero.

Gli scienziati sono certi ormai che i buchi neri siano anche stati fondamentali nella storia dell'universo per aiutare lo sviluppo delle galassie e portarle ad essere luminose e piene di stelle come le vediamo oggi.
Abbiamo spiegato nel dettaglio come ciò possa essere accaduto in questo articolo: Galassia 3C 298, quando le stelle nascono grazie a quasar e buchi neri 

Oggi osserviamo i buchi neri indirettamente, attraverso gli effetti della loro forza di gravità.
Ad esempio, se un buco nero è un membro di un sistema stellare binario, risucchierà costantemente la materia dalla sua compagna.
Avvicinandosi sempre più velocemente al buco nero, la materia della compagna diventa caldissima e genera forti radiazioni ai raggi X.
E ormai quasi certo ad esempio, che una delle stelle che compongono il sistema binario Cygnus X-1 sia un buco nero. 
Questo sistema binario è costituito da una stella super-gigante blu e da una stella compagna che però è invisibile. Questi due corpi ruotano uno intorno all'altra con un periodo di circa 6 giorni e costituiscono uno degli oggetti più luminosi in banda raggi-x.

Pensate, all'interno della galassia M87. si annida un buco neo con una massa pari a 2-3 miliardi di Soli ma che è più piccolo del sistema solare!
L'esistenza di questo buco nero può essere dedotto dai suoi effetti energetici su una lingua  di gas vorticoso attorno ad esso che si muove ad altissima velocità.

Un altro esempio di buco nero osservato è quello al centro della galassia NGC 7052, con una massa stimata di 300 milioni di Soli.