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Tipi di buchi neri

Tipi di buchi neri

#Universo venerdì 24 luglio 2020

Ultimo aggiornamento:2020-08-31T19:50:06Z

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La prima immagine di un buco nero super massiccio. credits EHT Collaboration I buchi neri sono tutti uguali? quanti tipi di buchi neri esistono? In questo approfondimento vi parleremo nel dettaglio come gli astrofisci classificano i buchi neri. I buchi neri, ormai non è più un mistero, sono oggetti mostruosi, dalla gravità fortissima, che piegano alla loro forza anche la velocità della luce. Ma non sono tutti uguali, e possono essere classificati in diverse tipologie.
Illustrazione realizzata da magnitudine assoluta che mostra le classificazioni dei buchi neri

TIPI COMPORTAMENTALI


La classificazione in base al comportamento classifica i buchi neri in: buchi neri rotanti e buchi neri non rotanti.

Buchi neri non rotanti.

I buchi neri non rotanti, lo dice il nome, sembrano essere statici: non hanno un movimento rotatorio intorno al proprio asse. Sono costituiti soltanto da una singolarità statica e da un orizzonte degli eventi.
Spesso si fa riferimento a questi buchi neri come a buchi neri di Schwarzschild.

buchi neri rotanti

I buchi neri rotanti invece, chiamati anche buchi neri di Kerr, ruotano su se stessi attorno ad un asse, come fanno le stelle e i pianeti. Questa rotazione viene ereditata dalla conservazione del momento angolare (definizione di momento angolare) della stella da cui hanno origine.
Essendo però centinaia, se non migliaia o milioni di volte, più piccoli della stella che li ha generati, questi buchi neri mantenendo lo stesso momento angolare assumono una velocità di rotazione elevatissima.
La loro morfologia è composta, oltre che dalla singolarità e dall'orizzonte degli eventi, anche dalla così detta ergosfera, cioè una zona di spazio tempo distorto dalla rotazione del buco nero. Il limite esterno di questa zona si chiama: limite statico.
Abbiamo parlato nel dettaglio di tutte le parti di un buco nero in questo approfondimento: Come sono fatti e come nascono i buchi neri?

TIPI PER DENSITA'


Questa classificazione invece raggruppa i buchi neri in base alla loro massa. È importante capire a questo punto che non è importante solo la massa, ma per avere un buco nero è importante il rapporto tra la massa e la dimensione: cioè la sua densità.
La gravità infatti cambia visibilmente in funzione alla compressione della massa.
Un oggetto con la massa del Sole, e con la stessa dimensione sarebbe solo una semplice stella. E se fosse più grande del Sole, beh non sarebbe nemmeno una stella molto interessante: poca luminosità, poca densità: poca gravità.
Ma se la stessa massa del Sole la comprimessimo, per esempio, in uno spazio grande come la Luna, beh ecco che la densità aumenterebbe visibilmente e con essa la sua forza di gravità.
Per esempio, per trasformare la Terra in un buco nero, sarebbe necessario comprimere la sua massa in una sfera con un diametro di una moneta! Tornando al Sole, per farlo diventare un buco nero dovremmo comprimere la sua massa in una sfera dal diametro di circa 3 km.
In base a tutto ciò possiamo classificare i buchi neri: buchi neri stellari, buchi neri supermassicci, mini buchi neri e buchi neri intermedi.

buchi neri stellari

I buchi neri stellari si formano da esplosioni di stelle molto massicce, e possono essere anche molto giovani.
Quando queste stelle muoiono, esauriscono l'idrogeno, l'elio, e gli altri materiali leggeri. Il ferro, molto più pesante degli altri elementi, diventa il materiale prevalente nella zona esterna di queste stelle.
A questo punto la pressione delle radiazioni provoca un'esplosione massiccia che genera una supernova.
Se la massa di ciò che rimane della stella è minore di un certo limite (limite di Tolman Oppenheimer Volkoff), allora l'oggetto risultante può essere una nana bianca oppure una stella di neutroni.
Ma se la massa rimanente supera questo limite, allora ciò che ne rimane dopo inizierà ad implodere su se stesso fino a raggiungere una densità elevatissima in un volume piccolissimo: generando un buco nero stellare.
Puoi ripercorrere l'esplosione di una supernova fase per fase in questo nostro approfondimento: come nascono le supernove? e perché sono così importanti per l'uomo?

La massa dei buchi neri stellari va dalle 5 alle 10 masse solari compresse in un raggio dai 15 ai 20 Km.
Avete capito bene, una quantità di materia 5 volte o più di quella nel Sole, stipata in una sfera grande poco più dell'Isola D'Elba!

Troviamo i buchi neri stellari sparsi nelle galassie senza una posizione precisa. Basta che li, in un passato più o meno remoto, ci sia stata una stella abbastanza massiccia da esplodere in supernova ed aver saltato poi sia lo stato di nana bianche che di stella di neutroni.
Difficilmente i buchi neri stellari crescono di dimensioni in quanto generalmente si trovano in zone con poco materiale gassoso e con densità stellare mediamente bassa. Sicuramente prima o poi qualche stella vicina potrebbe finire nella rete gravitazionale di un buco nero stellare.
Ma sicuramente la quantità di materia fagocitata non è paragonabile a quella dei buchi neri super massicci.

I buchi neri supermassicci

Sono in assoluto i buchi neri più mostruosi che esistano. Li troviamo nel centro delle galassie, e spesso vengono identificati anche come Quasar.
I Quasar sono oggetti davvero straordinari e ne abbiamo parlato nel dettaglio qua: Cosa sono i quasar

La massa dei buchi neri super massicci può variare da un milione a qualche miliardo di masse solari. Ed è compressa in dimensioni che vanno dalle 15 volte quella del sole a quella del Sistema Solare.
Per fare un esempio concreto, Sagittario A*, il buco nero supermassiccio nel cuore della nostra Via Lattea, ha una massa pari a quella di 4.000.000 (4 milioni) di soli. E tutta questa materia è compressa all'interno di un raggio pari a solamente 17 Soli.
Questi numeri vi fanno capire quale sia la grande discrepanza tra massa e dimensione paragonata al nostro Sole, e come mai i buchi neri supermassicci abbiano una forza gravitazionale così mostruosa.
E nonostante tutto, Sagittario A* non è un buco nero supermassiccio davvero grande.
Nell'ammasso di galassie Abell 85, c'è una galassia catalogata come Holmberg 15A, che ospita nel suo centro un buco nero supermassiccio di 40.000.000.000 (40 miliardi) di masse solari, compresse in uno spazio grande quanto l'orbita di Plutone.
Per dirlo in altri termini il buco nero supermassccio di Holmberg 15A racchiude in uno spazio grande come l'orbita di Plutone una massa pari a 2/3 di quella di tutte le stella della Via Lattea.
E comunque sia avere un diametro grande come l'orbita di Plutone è un bel primato per un corpo celeste non credete?
Nelle zone centrali di una galassia le stelle sono molto vicine, e spesso ci sono anche vaste zone gassose. Quindi questi buchi neri hanno tanto materiale con la quale interagire e da fagocitare.
Queste circostanze fanno in modo che i buchi neri super massicci crescano e si ingrandiscano in maniera sfrenata, diventando sempre più massicci.

I buchi neri supermassicci sono molto antichi, alcuni si sono formati solo 690 milioni di anni dopo il Big Bang, e questo mette in crisi i cosmologi che ancora non hanno davvero le idee chiare su come si siano formati.
Sulla loro formazione gli astrofisici hanno diverse ipotesi. Ed essendoci una grande quantità di esemplari di buchi neri supermassicci, queste ipotesi non si escludono luna con l'altra.
Le due ipotesi più significative sono quelle del collasso diretto a catena e quella da materia oscura.

L'ipotesi del collasso diretto a catena prevede che il buco nero supermassiccio sia stato in origine un buco nero stellare.
Che si sia creato cioè dall'esplosione in supernova di una stella molto massiccia. Ricordatevi che durante le prime fasi dell'universo, erano presenti un'ampia quantità di stelle molto più massicce di quelle odierne. Queste stelle possono aver generato buchi neri stellari che, se collocati nei centri galattici, dove la densità stellare è molto elevata, avrebbero iniziato a nutrirsi delle stelle vicine con un processo a catena.
E questo processo a catena può aver coinvolto anche altri buchi neri. Dando origine ai mostri che osserviamo oggi nei nuclei galattici attivi.
Inoltre nelle zone centrali delle galassie la quantità di gas, nubi, e polveri è molto alta. E questo avrebbe collaborato a nutrire questi buchi neri.

L'altra ipotesi invece, quella della generazione da materia oscura, conosciuta anche come ipotesi da quasi stella, prende spunto dal fatto che subito dopo il big bang, in un universo non omogeneo, laddove oggi ci sono le galassie un tempo ci fossero aloni di materia oscura.
In questi aloni si sarebbero venute a formare zone molto più dense di altre che sarebbero collassate in oggetti quasi stellari. Quasi stellari nel senso che la forza gravitazionale generata da queste zone è stata così alta da impedire l'accensione della reazione nucleare necessaria ad avviare l'accensione della Stella. Si sarebbero quindi formati dei buchi neri senza passare dalla fase di stella massiccia. Buchi neri che avrebbero avuto si dall'inizio decine di migliaia di masse solari.
Questa ipotesi è davvero straordinaria, e suggerisce anche che molta della materia oscura che non siamo ancora riusciti a rilevare sia in realtà nascosta nelle gole profonde dei buchi neri supermassicci già dall'inizio dei tempi.
Puoi approfondire diversi temi sulla materia oscura qui: #materiaOscura

Entrambe le ipotesi hanno comunque uno sfondo comune: Quando un buco nero si trova al centro di una galassia, è potuto crescere per accrescimento trovando intorno a se tutto il materiale che gli è servito per raggiungere le dimensioni in cui lo vediamo oggi.
E probabilmente ha trovato anche altri buchi neri simili con cui fondersi.

I buchi neri intermedi

I buchi neri intermedi hanno masse e dimensioni intermedie tra un buco nero stellare e un buco nero supermassiccio.
La massa dei buchi neri intermedi va da qualche centinaia a qualche milione di masse solari, ed è compressa in uno spazio grande circa il doppio di Giove.
Troviamo i buchi neri intermedi all'interno di ammassi globulari, zone periferiche delle galassie che ospitano ammassi di stelle molto vecchie e massicce.
La loro posizione e il fatto che siano in zone ad altissima densità stellare, suggerisce agli astronomi che i buchi neri intermedi siano stati buchi neri stellari che hanno avuto la fortuna di trovare sul proprio cammino molte stelle da permettere loro di ingrandirsi, senza però aver avuto il tempo di raggiungere le dimensioni dei buchi neri supermassicci, poiché sono ancora molto giovani.
per comprendere meglio gli ammassi globulari e perché sono un terreno così fertile per i buchi neri puoi leggere questo nostro approfondimento: Ammassi globulari: nascita ed evoluzione

Micro buchi neri

I micro buchi neri, o nano buchi neri, o mini buchi neri, sono buchi neri teorici.
Si sono formati probabilmente nelle primissime fasi di vita dell'universo e sono subito scomparsi.
La massa di un micro buco nero sarebbe stata all'incirca quella di una moneta da 5 centesimi di euro: 5 grammi.
Poco vero? Beh non proprio se pensiamo che la sua dimensione è stata più piccola di quella di un atomo: molto prossima a quella di un protone.
Teoricamente i micro buchi neri avrebbero avuto un raggio di 10 alla -30 metri (30 zeri,1). Per confronto, un atomo di idrogeno, ha un raggio di 10 alla -11 metri (11 zeri,1).
Questi numeri sono davvero difficili da comprendere. Ma volendo fare un altro paragone con numeri più comprensibili, se un mini buco nero avesse avuto la dimensione di una moneta da 5 centesimi di euro, al suo interno avrebbe racchiuso una massa pari a quella dell'intero pianeta Terra!

Questi buchi neri atomici, si sarebbero formati durante il big bang e a causa della loro piccolezza sarebbero scomparsi in meno di un nano secondo, disperdendo tutta la radiazione di Hawking.
In realtà anche i buchi neri stellari e quelli super massicci sono soggetti a questa "evaporazione", ma la loro massa è talmente alta da fare in modo che evaporino in miliardi di anni.
I mini buchi neri sono stati estremamente caldi. Sempre andando per paragoni, che è il modo migliore per capire questi numeri, il nucleo del Sole ha una temperatura di circa 15.000.000 (15 milioni) gradi centigradi. Benissimo, la temperatura dei micro buchi neri primordiali sarebbe stata come quella del Sole con 42 zeri in più!
E proprio questa temperatura avrebbe fatto in modo che, trovandosi in uno spazio molto più freddo, a causa della radiazione di Hawking sarebbero evaporati in circa un ottilionesimo di nanosecondo.

TIPI PER ATTIVITA'


Un'altra importante classificazione dei buchi neri è quella per attività.
In base a questa classificazione, un buco nero può essere attivo oppure non attivo.

Buchi neri attivi

I buchi neri attivi sono buchi neri che in questo momento stanno interagendo con la materia circostante: stelle, gas o polvere, attirandola verso il proprio orizzonte degli eventi.
Quando la materia entra nel buco nero, lo fa ad una velocità altissima. E si surriscalda emettendo radiazioni in tutto lo spettro visibile.
Questo fenomeno rende i buchi neri attivi tutt'altro che neri. In alcuni casi li rende addirittura molto luminosi, come nel caso dei quasar e dei nuclei galattici attivi.

Buchi neri non attivi

I buchi neri non attivi, al contrario, non stanno attirando a se materia. E quindi non emettono alcuna radiazione. Sono buchi neri nel vero senso del termine.
Questi sono i buchi neri più difficili da individuare. L'unico modo che abbiamo per intuirne la presenza è osservare gli effetti gravitazionali sulle stelle vicine.
Un esempio di buco nero non attivo è quello scoperto più vicino alla Terra e di cui abbiamo parlato nel dettaglio qui: Scoperto forse il buco nero più vicino alla Terra

In questo approfondimento abbiamo classificato i buchi neri in base a diverse prospettive. a questo link potete trovare tutti gli approfondimenti che riguardano i buchi neri: #BuchiNeri.


Classificazione buchi neri
Comportamentali:Rotanti | Non rotanti
Densità:Stellari | Supermassicci | Intermedi | Mini
Attività:Attivi | Non attivi


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