I BUCHI NERI – THE BLACK HOLES
Microsoft Progetto Docenti
Applica le competenze acquisite:
Lavoro di Gruppo di :
• Antonietta Sorrentino – 14C
• Marta Fontana – 15C
• La storia
• Nascita di una stella
• Caratteristiche
• Le prove sperimentali
La storia…
Nel 1783 un docente di Cambridge, J.Michell, pubblicò nelle
pagine del “Philosophical Transaction of the Royal Society of
London” un saggio che sottolineava quali potessero essere gli
effetti estremi del campo gravitazionale di una stella di enorme
massa e densità..In quegli anni ci fu una speculazione di PierreSimon de Laplace,che espresse anch’egli, l’ipotesi che una stella di
densità sufficientemente grande avrebbe avuto un campo
gravitazionale tale da non permettere neanche alla luce di
abbandonare la sua superficie.
Questa idea, formulata dai due scienziati sulla base delle
teorie della gravitazione di Newton e sull’ipotesi corpuscolare
della luce, fu ripresa agli inizi del nostro secolo, dopo la
pubblicazione della teoria della Relatività Generale di
Einstein, avvenuta nel 1916.questa teoria permise una più
corretta descrizione della formazione e della struttura di
questi particolari corpi celesti che, nel 1969 il fisico
J.Wheeler definì “black holes”.
Negli ultimi trenta anni l’uso di telescopi e di strumenti di
ricerca più raffinati ha reso possibile a fisici come S.Hawking
la formulazione di nuove ipotesi ancora più consistenti
sull’esistenza e sulla struttura dei buchi neri.
What are Black Holes?
•
A black hole is a super dense object
that has an intense gravitational pull.
There are two parts to a black hole, a
singularity and a event horizon.
• The event horizon is where the force of
gravity becomes so strong that even
light is pulled into the black hole
Nascita di un buco nero…
L’ ultima fase dell’evoluzione di una stella, ha inizio
quando,cessate la reazioni termonucleari al suo
interno,l’astro si trova ad essere in condizioni fisiche
sfavorevoli ad un’ulteriore ripresa delle reazioni di
fusione di elementi successivi. La definitiva cessazione di
produzione di energia nel nucleo rende instabile la
struttura della stella, ora libera di contrarsi sotto la forza
gravitazionale della sua enorme massa.Il tempo impiegato
per raggiungere questa fase terminale e le modalità con
cui essa si manifesta dipendono dalla massa del corpo
celeste.
L’ultima fase della vita di una stella, caratterizzata
dalla contrazione della sua materia può avere diversi
sviluppi che dipendono anch’essi dalla massa iniziale.
Il principio di esclusione del Pauli, operante tra gli
elettroni di uno stesso atomo, evidenzia l’entità delle
forze repulsive presenti nell’interazione di queste
particelle: gli elettroni nello stesso istante devono
possedere velocità differenti, tendenti ad allontanarsi
l’uno dall’altro, la materia sarà dunque in grado di
sostenersi sotto la pressione gravitazionale e di
raggiungere un nuovo equilibrio bloccando la
contrazione.In questo caso ci troviamo di fronte alla
formazione di una nana bianca.
Un universitario indiano, Chandrasekhar, calcolò
che per una stella di massa inferiore a 1,5 masse
solari terminerebbe sempre con la formazione di una
nana bianca,mentre per le stelle di massa superiore
un’ulteriore compressione della materia costringe gli
elettroni ad unirsi con i protoni del nucleo, formando
nuovi neutroni, tale stato della materia è
caratteristico delle stelle a neutroni.
Analizziamo l’ultimo e più drammatico caso,
quando la contrazione gravitazionale va a
caratterizzare l’evoluzione finale di una stella di
massa enorme, l’evento del collasso è così
drastico che avviene un’immane esplosione che
libera enormi quantità di energia gravitazionale
ed espande l’involucro esterno della stella
lasciando al centro un nucleo caldo e
denso.L’ulteriore collasso di questo nucleo
diviene inarrestabile , la materia si contrae
indefinitamente fino ad occupare volume zero, ed
in uno stato di desità infinita avremo la
singolarità: il centro di un buco nero.
the Singularity
•
According to the General Theory of Relativity the
Singularity is a point of infinite space time curvature.
This means that the force of gravity has become
infinitely strong at the center of a black hole.
Everything that falls into a black hole by passing the
event horizon, including light, will eventually reach
the singularity of a black hole. Before something
reaches the singularity it is torn apart by intense
gravitational forces. Even the atoms themselves are
torn apart by the gravitational forces.
Caratteristiche…
L’elemento che più ci affascina nello studio di un buco nero è la sua particolare capacità di non
lasciar sfuggire nulla dalla sua superficie, nemmeno la luce.Proprio da ciò il corpo celeste prende il
suo nome,buco nero,un regione dello spazio che per un osservatore esterno appare oscura, priva di
emissione elettromagnetica rilevabile. Questa osservazione introduce la domanda:come è fatto un
buco nero , perché possiede un campo gravitazionale così intenso e quali sono le sue dimensioni?
Una massa qualsiasi diversa da zero che si trovi ad occupare uno spazio uguale a zero e in una
condizione di densità infinita:
Densità = Massa / Volume
(per Massa diversa da 0 e Volume =0)
Nelle estreme vicinanze di un punto di densità infinita anche la forza del campo gravitazionale tenderà
ad essere infinita, così come anche tenderà ad esserlo la velocità di fuga in quella zona del campo.
Prendendo in considerazione superfici di sfere con il centro in quel punto, la velocità di fuga su quelle
superifi diminuirà all’aumentare della loro distanza dalla singolarità(quindi per raggi sempre
maggiori), sino a quando troveremo un raggio la cui superficie avrà velocità di fuga pari a quella
della luce: questa superficie prende il nome di orizzonte degli eventi,ed il suo raggio si può calcolare
con l’equazione di K. Schwarzschild.
Raggio =2MG/c2
Dove M è la massa della singolarità
G è la costante di gravitazione universale
c2 è la velocità della luce al quadrato.
Formation of a Black Hole:
Imagine a star which is much more massive than
our sun, and which has a mass, called the critical
mass, which is large enough to cause a black hole
to form. What keeps this star from collapsing onto
itself and becoming a black hole? The answer is
that there is an intense pressure caused by nuclear
reactions within the sun. When the fuel that feeds
the nuclear reactions gets used up the massive star
cannot support itself anymore. It then collapses to
form a black hole.
Cool things about Black Holes:
1. First of all, if you get close enough to a
black hole you will see the back of your
own head! This effect, called an
Einstein ring, is caused by the intense
gravity around a black hole. When you
are near a black hole at certain
distances the light that leaves from the
back of your head will travel though
space that is bent so much by gravity
that it will enter your eyes.
Cool things about Black Holes:
2
2. Another cool thing about black holes is
that they might be able to destroy
information. The destruction of information
is not allowed by quantum mechanics, so
Hawking concludes that the usual rules of
quantum mechanics cannot apply for black
holes!!
Evidence for the existence of Black Holes:
This is an interesting problem. How do you prove
the existence of something that cannot be observed
by definition? There are actually many methods used
to see if black holes really exist in our universe. The
first method is to look for objects in our universe that
have a lot of mass, but are very small. For example
we can prove that there exists a black hole in an
astronomical object called M87. This object weighs
three billion times more than our sun, but takes up a
volume no larger than our solar system.
Le prove sperimentali…
Possiamo considerare due fenomeni che vengono
considerati come prove sperimentali dell’
esistenza dei buchi neri.
•Individuazione delle cosiddette lenti
gravitazionali. Se la luce proveniente da una
stella o una galassia lontana trova lungo il suo
percorso un buco nero una parte dei suoi
raggi viene deviata per effetto gravitazionale..
Un osservatore terrestre avrà un’immagine
sdoppiata del medesimo oggetto stellare:una
associata ai raggi che provengono dalla stella,
l’ altra associata ai raggi deviati dal buco
nero, apparentemente provenienti da una
sorgente virtuale.
•Comportamento di alcune stelle doppie
(stelle molto vicine che costituiscono un
sistema legato gravitazionalmente). Se una
delle due evolve fino a diventare un buco
nero, essa diventerà una potentissima
causa di attrazione gravitazionale, capace
di risucchiare i gas più esterni della stella
compagna.
