la rivoluzione scientifica einsteniana
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LA RIVOLUZIONE SCIENTIFICA EINSTENIANA • Anna Curir – Istituto Nazionale di AstrofisicaOsservatorio Astronomico di Torino • Albert Einstein predisse l’esistenza dei buchi neri nel 1916, con la sua teoria della Relatività Generale. • Il termine ‘buco nero’ però fu creato nel 1967 dall’Astronomo Americano John Weeler. Il primo buco nero fu scoperto osservativamente nel 1971 • La nostra galassia contiene qualche centinaio di milioni di buchi neri che si sono formati dal collasso gravitazionale di stelle molto massicce. Ognuno di questi buchi neri stellari pesa circa 10 volte il sole. Thomas Kuhn (1922-1966): LA STRUTTURA DELLE RIVOLUZIONI SCIENTIFICHE (1962) Scienza normale/rivoluzioni Le rivoluzioni attaccano il paradigma Di riferimento. Paradigma: dal greco parà-deigma: mostrare , presentare. In filosofia della scienza un paradigma è la matrice disciplinare di una comunità scientifica. In questa matrice si cristallizza una visione globale (e globalmente condivisa) del mondo La scienza normale costituisce la gran parte della produzione scientifica • Grazie alla scienza normale newtoniana siamo andati sulla Luna, conosciamo come si evolvono le stelle, le dimensioni della nostra Galassia e molte altre cose importanti per capire come e’ nato e si è strutturato il nostro ambiente astronomico. • La scienza applicata è in gran parte costituita da prodotti della scienza normale associati allo sviluppo tecnologico. Cos’è una rivoluzione scientifica • Avviene quando si cambia il paradigma di riferimento. • Prima della rivoluzione si instaura un periodo di ‘crisi’ in cui si scoprono delle ‘anomalie’ che non si spiegano con il vecchio paradigma. • Dopo una rivoluzione scientifica anche vecchi dati e vecchie osservazioni verranno interpretati in modo nuovo. Meccanicismo • L'universo viene considerato guidato dalle leggi della dinamica di Isaac Newton (1642 – 1727): note le forze che agiscono tra una particella e l'altra trovare il moto del sistema significa risolvere un sistema di equazioni differenziali che, una volta completate con i cosiddetti dati iniziali permettono di conoscere l'evoluzione del sistema a qualunque istante di tempo, sia passato che futuro • All'epoca di Voltaire, la maggioranza dei razionalisti ammettevano la divinità come "motore immobile" dell'universo e della vita (deismo). • Pierre Simon de Laplace nel 1796 dice: Noi dobbiamo considerare lo stato presente dell’universo come l’effetto di un dato stato anteriore e come le causa di ciò che sarà in avvenire. Una intelligenza che, in un dato istante, conoscesse tutte le forze che animano la natura e la rispettiva posizione degli esseri che la costituiscono, e che fosse abbastanza vasta per sottoporre tutti i dati alla sua analisi, abbraccerebbe in un’unica formula i movimenti dei più grandi corpi dell’universo come quello dell’atomo più sottile • Le migliori menti matematiche dei secoli XVIII e XIX si misero al lavoro per sviluppare metodi analitici al fine di descrivere in modo preciso il moto orbitale dei pianeti, di calcolare i parametri orbitali degli asteroidi, nuovi piccoli inquilini del Sistema Solare scoperti a partire dal 1801, e di calcolare gli effetti delle perturbazioni del moto orbitale dei pianeti e dei piccoli corpi come asteroidi e comete, dovute alla presenza di molti corpi di massa non trascurabile (i pianeti stessi) in orbita intorno al Sole. • I nomi di matematici come Gauss, Lagrange, Euler, Laplace, sono indissolubilmente legati a questa pagina della storia della scienza. • La Mécanique Céleste di Laplace, pubblicato nel 1799, contiene i metodi per calcolare i moti dei pianeti, per determinarne le forme e risolvere problemi legati alle maree. Laplace lo descrisse come “un lavoro che dovrebbe offrire una soluzione completa del grande problema della meccanica rappresentato dal Sistema Solare e portare la teoria a coincidere così strettamente con l'osservazione che le osservazioni empiriche non avrebbero più dovuto trovare posto nelle tavole astronomiche”. I BUCHI NERI e P.S. de Laplace • Già il matematico Laplace (Exposition du Systeme du Monde -1793)aveva intuito l’ esistenza di oggetti, les astres occlus, da cui la luce non potesse fuggire (problema di velocità di fuga , visione particellare della luce, spazio euclideo piatto, vecchio paradigma) • Il buco nero relativistico invece e’ un estremo prodotto della curvatura gravitazionale (nuovo paradigma) Le due rivoluzioni scientifiche dovute ad Albert Einstein • 1905: Relatività ristretta. Equivalenza tra massa ed energia. • 1915: Relatività generale. La massa curva lo spazio-tempo La Massa e lo Spazio: la nuova visione di Einstein • Relatività Generale: la massa “curva” lo spazio, determinandone la geometria . • La gravità è espressa dalla geometria dello spazio (i corpi si muovono lungo le ‘geodetiche’ della metrica) • LO SPAZIO NON E’ PIU’ QUELLO DI EUCLIDE E DI PITAGORA…. Esperimento dell’ascensore In Caduta libera, non ti accorgi della Gravità: gli oggetti e l’osservatore cadono insieme Legge di Newton F = G m1m2/r^2 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Equazioni di Einstein Le equazioni di campo di Einstein Rab = tensore di curvatura di Ricci 1 Rab Rg ab g ab Tab 2 R = contrazione del tensore di Ricci = costante cosmologica Tab = tensore energia-impulso 8G 2,07.1043 kg1.m1.s2 4 c Nella teoria di Einstein della GR non si fa uso della parola ‘forza di gravità’ . Si parla solo di distribuzione di masse che curva lo spazio tempo La massa dice allo spazio-tempo come curvarsi e lo spazio-tempo dice alle masse come muoversi Relatività ristretta: La velocità della luce è una costante Consideriamo una sorgente di luce nello spazio vuoto: la luce emessa al tempo zero si trova, dopo un intervallo dt, su una sfera di raggio cdt. (tempo moltiplicato velocità c) L’equazione di questa sfera, per un SR in quiete rispetto alla sorgente è: dx2+dy2+dz2= R2 = c2 dt2 L’equazione di questa stessa sfera, per un SR in moto rispetto alla sorgente è: dx’2+dy’2+dz’2= c2 dt’2 c2 dt2-dx2-dy2-dz2=c2 dt’2dx’2-dy’2-dz’2 (2) essendo il SR in moto distinto dall’apice (‘) applicato alle componenti. Ma c non ha alcun apice, perché? perché ha lo stesso valore in tutti i sistemi. Ecco la prima sbalorditiva sorpresa: se postuliamo come verità universale che esista una velocità invariante per tutti i SR Inerziali ne consegue che l’invariante spaziale non è più invariante ed è sostituito da un invariante spaziotemporale. Metrica euclidea classica: (s1-s2)^2= (x1-x2)^2 +(y1-y2)^2 +(z1-z2)^2 Teorema di Pitagora Passando a quantità infinitesime: ds2= dx2+dy2+dz2 Se la propagazione della luce è la stessa in tutti i riferimenti, la metrica deve essere ds2=-c2dt2 + dx2+dy2+dz2 Ds2 è l’invariante scalare di Lorentz, è lo stesso in tutti I riferimenti Ds2<0 intervalli del genere tempo Ds2=0 intervalli del genere luce Ds2>0 intervalli del genere spazio Relatività speciale: - spaziotempo piatto - Particelle di luce e particelle libere viaggiano in linea retta Relatività Generale: - Spaziotempo curvo - Particelle di luce e particelle libere viaggiano secondo le linee piu’ dritte permesse dalla geometria disponibile: curve geodetiche. (Esempio di curve geodetiche su Di una superficie 2d curva: Nuova Matematica Newtonian time: Il tempo è assoluto Special Relativity: Minkowski spacetime: Newtonian space: La distanza euclidea è un invariante Il quadri-intervallo tra eventi è invariante “ D’ora in poi lo spazio in sè ed il tempo insè scompaiono, e soltanto una fusione dei due può conservare una realtà indipendente.” Hermann Minkowski • Euclid ean distan ce is invari ant La gravità curva lo spazio e puo’ addirittura disconnettere una regione dall’esterno Questo è diverso dal Buco nero di Laplace che avevamo visto ieri! TRE TIPI DI BUCHI NERI Buchi neri supermassicci (Miliardi di masse solari) Buchi neri stellari ( < 15 Masse solari) Buchi neri intermedi ( 100, 1000 Masse solari) E’ interessante notare che alla previsione dell’esistenza dei Buchi Neri si arriva da due diverse vie nella fisica moderna: • Dalla teoria dell’evoluzione stellare (collasso gravitazionale) • Dalla teoria della Relatività Generale (spazio curvo, massa ultradensa) Primo cammino (analogo a quello di Laplace) Cos’è una stella? • Una stella è una sfera autogravitante di gas caldissimo (principalmente idrogeno ed elio), che produce energia attraverso un processo di fusione nucleare e la riemette sotto forma di radiazione. Il sole è una stella, ma ci sono stelle molto piu’ grandi: le stelle giganti …….e le stelle supergiganti • Come si riconosce una stella “in fin di vita”? • La temperatura degli strati esterni di Betelgeuse è di circa 3.500 °C, molto inferiore rispetto a una giovane stella delle sue dimensioni. Giunta a queste fase, si sta per esaurire il combustibile che alimenta le reazioni termonucleari nel nucleo, vera e propria centrale della stella, dove il calore può arrivare a decine di milioni di gradi. • Che cosa si vedrebbe dalla Terra, in seguito a un disastro nucleare del genere? • Se Betelgeuse scoppiasse nel momento in cui è angolarmente vicina al Sole, sarebbe così brillante che la vedremmo in cielo come un puntino luminoso, anche di giorno, ma non immaginiamo una palla infuocata, tipo il Sole! Sarebbe comunque un’ immagine puntiforme , molto brillante ma puntiforme. • È mai successo di vedere una supernova ? • Esistono testimonianze storiche di eventi simili nei secoli scorsi, come l’esplosione di una supernova nel 1054, nella costellazione del Granchio. • Nel 1572 l’astronomo danese Tycho Brahe ne osservò una, nel 1604 Giovanni Keplero e Galileo Galilei ne videro un’altra a occhio nudo, nella Via Lattea. • L’ultima, osservabile senza ausilio di telescopi, risale al 1987: si trovava nella grande nube di Magellano, galassia satellite alla nostra. Paradossalmente, è più difficile scoprire oggetti di questo tipo nella nostra galassia, perché le nubi di polveri e gas sul piano galattico ne oscurano la vista Ma come si arriva allo stadio di Gigante Rossa? E all’esplosione di supernova? Strati dell’interno stellare Chimicamente differenziati: piu’ si va verso il centro, piu’ le temperature aumentano Alla fine delle’evoluzione l’inviluppo esterno si espande: si forma una Gigante Rossa Il nucleo non può più contrarsi (e percio’ non puo’più aumentare le temperature interne): materia degenere Massa < 1.4 M_solari : massa di CHANDRASEKAR (premio Nobel) Struttura instabile: il guscio di He espelle gli strati esterni: Si ha la fomazione di una nana bianca + nebulosa planetaria • Nebulosa ‘Occhio di gatto’ (foto diHST) Nebulosa della Lyra Qual è il destino delle stelle di massa maggiore della massa di Chandrasekar? Le reazioni nucleari continuano fino alla formazione del Ferro . La temperatura continua ad aumentare: si formerebbero elementi più pesanti del Fe In questa fase però le reazioni nucleari assorbono energia invece di produrne Il nucleo si trova improvvisamente a non poter più sostenere il peso degli strati sovrastanti: Collasso catastrofico della stella Esplosione di Supernova Conseguenze dell’esplosione: 1 – Il nucleo collassa in una stella di neutroni (pulsar) . 2 – Gli strati superiori si propagano ad alta velocità nel mezzo esterno . L'esplosione espelle la maggior parte o tutto il materiale che costituisce la stella a velocità che possono arrivare a 30 000 km/s (10% della velocità della luce), producendo una onda d'urto che si diffonde nel mezzo interstellare. Ciò si traduce in una bolla di gas in espansione che viene chiamata resto di supernova 3 - Se il collasso non si arresta allo stato di stella di neutroni (quando la massa coinvolta è superiore ad un valore di circa tre masse solari) avviene cio’ che si chiama COLLASSO GRAVITAZIONALE COMPLETO. Questo porta alla formazione di un buco nero. LA CRAB NEBULA • La Nebulosa del Granchio fu osservata in Europa nel 1731 • Ma l’esplosione della supernova che ha generato la nebula è registrata sugli annali degli astronomi Cinesi ed Arabi nel 1054 (L’Europa non era ancora pronta a pensare i cieli corruttibili?) Pressione di gas degenere Secondo cammino: la Relatività Generale Esistono soluzioni delle Equazioni di Einstein che descrivono la peculiare geometria dello spazio che contiene tali oggetti. All’interno dell’orizzonte degli eventi le traiettorie dei corpi hanno tutte come punto terminale un punto in cui la densita tende all’infinito chiamato SINGOLARITA’ Soluzione di Schwarzschild • Trovare una soluzione delle equazioni di Einstein significa trovare i coefficienti g della metrica che descrive lo spazio tempo. 1 Rab Rg ab g ab Tab 2 Il modo più semplice per trovare la soluzione che descrive un solo buco nero significa assumere uno spazio tempo asintoticamente piatto (lontano dal buco nero va a descrivere uno spazio tempo di MInkowski) e a simmetria sferica (supponiamo che il buco nero sia sferico e non rotante) • Da queste semplici assunzioni Karl Schwarzschild ha dedotto la sua soluzione , universalmente nota e adatta a descrivere il buco nero nella sua situazione più semplice: un buco nero di massa M non rotante posto al centro dell’Universo vuoto. Con queste assunzioni è possibile determinare l’espressione della metrica (esterna) Uno spaziotempo descritto dalla metrica di Schwarzshild può venire visualizzato come in Figura la semplicit`a di un tale diagramma lo rendono uno strumento molto importante per descrivere metriche più complicate (come vedremo). Le sue caratteristiche principali sono: i coni di luce sono a 45 gradi, le geodetiche nulle iniziano tutte nell’infinito nullo passato e finiscono nell’infinito nullo Buco nero rotante (di Kerr) Diagramma conforme della massima estensione analitica della soluzione di Kerr Tidal forces in a black hole I corpi vengono stirati dalle enormi forze mareali vicino all’orizzonte: Il fattore di Lorentz ad una velocità di 0.8 c vale circa 0.6 Possibilità di osservare buchi neri indirettamente _Stima della massa del buco nero dall’osservazione del materiale in caduta _ Effetto lente gravitazionale (deflessione dei raggi luminosi) _ Onde gravitazionali _ Emissione nello spettro luminoso, dal radio all’X _ Ombra del buco nero Secondo la nuova teoria della gravitazione le immagini di stelle che si trovano vicine prospetticamente a un oggetto massiccio devono essere deflesse . • Eddington accolse come buoni i valori raccolti e dichiarò confermata la previsione di Einstein. Anomalie, crisi e idee innovatrici • Lo spazio incurvato dalle masse è stata l’ idea innovatrice pensata da Einstein. • L’anomalia osservata in certe orbite del sistema solare aveva portato ad una crisi del paradigma Newtoniano che permise ad Einstein di intuire lo spazio curvo • L’ osservazione durante l’eclissi di sole dell’incurvamento delle traiettorie luminose fu la successiva conferma sperimentale del nuovo paradigma creato dalla mente di Einstein. La visione della natura nel nuovo paradigma • Quando il nuovo paradigma si consolida, gli scienziati rivedranno gli stessi fenomeni con occhi nuovi, ristrutturando la loro interpretazione. • Ad esempio: la rivoluzione Einsteiniana ci fa vedere le orbite dei pianeti come traiettorie naturali in uno spazio curvo (sono le masse ad incurvare lo spazio-tempo, non sono le orbite ad incurvarsi per la forza gravitazionale) Le orbite di un pianeta attorno a un corpo centrale: visione newtoniana ed einsteiniana La massa curva lo spazio: una galassia puo’ fare da lente all’immagine di un quasar lontano Un ammasso di galassie è luogo favorevole per il crearsi di questo effetto Il tipo di allineamento degli oggetti puo originare immagini ad arco o multiple • Anello di Einstein Immagine HST di una galassia lontana che ha subito un effetto lente da una galassia ellittica intermedia (l’oggetto al centro dell’anello) • Croce di Einstein Quattro immagini di un quasar distante. Effetto lente di una galassia spirale interposta Marzo 2015- Immagine di Hubble fenomeno era già stato osservato nel caso di un quasar, cioè di una galassia lontana con un nucleo che emette una forte radiazione, ma è la prima volta che riguarda la luce di una supernova: Emissione di radiazione da materiale in accrescimento • L’accrescimento è un processo attraverso cui un oggetto massiccio aumenta di massa attraendo e accumulando su di se nuovo materiale. Tipicamente questo processo avviene attraverso una struttura ‘a disco’ di materiale e di gas che è in moto orbitale intorno all’oggetto centrale. I dischi di accrescimento sono caratteristiche che si trovano ovunque nell’Universo e possono trovarsi sia intorno a stelle, o a resti di stelle, in sistemi stellari doppi oppure nei centri di galassie o quasars. • Fine lez. 6 Emissione di radiazione da materiale in accrescimento • L’accrescimento è un processo attraverso cui un oggetto massiccio aumenta di massa attraendo e accumulando su di se nuovo materiale. Tipicamente questo processo avviene attraverso una struttura ‘a disco’ di materiale e di gas che è in moto orbitale intorno all’oggetto centrale. I dischi di accrescimento sono caratteristiche che si trovano ovunque nell’Universo e possono trovarsi sia intorno a stelle, o a resti di stelle, in sistemi stellari doppi oppure nei centri di galassie o quasars. Spettro di corpo nero: al diminuire della temperatura il “picco” della curva si abbassa e si sposta verso destra. Intensità della Radiazione in Funzione della Lunghezza D’onda Possiamo immaginare un disco di accrescimento come un vecchio disco di un grammofono. Per iniziare, posiamo l’ago al bordo esterno del disco. Anche il materiale che accresce sul BH entra dalla periferia del disco. L’ago poi segue una spirale nel disco di vinile, e il disco suona. L’ago deriva lentamente verso il centro del disco. E lo stesso avviene nel disco di accrescimento: il materiale fa molti giri su orbite di tipo Kepleriano prima di avvicinarsi al centro. Onde gravitazionali • La teoria di Einstein prevede l'esistenza di onde gravitazionali, simili alle increspature sulla superficie di uno stagno dopo il lancio di una pietra, che si diffondono nello spazio alla velocità della luce. Queste sono perturbazioni del campo gravitazionale, che, come succede per il campo elettromagnetico, possono viaggiare e trasportare energia su grandi distanze. Però mentre la radiazione elettromagnetica (per esempio la luce visibile) può essere completamente assorbita dalla materia, le onde gravitazionali possono viaggiare nello spazio senza essere assorbite dalle stelle o dalla materia interstellare. La grossa differenza tra le onde gravitazionali e le onde elettromagnetiche è che le ultime sono un campo che si propaga nello spaziotempo. Le onde gravitazionali sono invece lo stesso spaziotempo che si increspa per il campo gravitazionale… • E’ proprio dove la gravità è più forte che è facile generare onde gravitazionali. Perciò le sorgenti più interessanti sono la formazione di un buco nero o le collisioni tra buchi neri, o quando un buco nero inghiotte una stella. • I processi più drammatici del cosmo, come l'esplosione di una supernova, collisioni catastrofiche, fusione di sistemi binari, rotazione di pulsar, interazione di buchi neri o ancora il big bang primordiale sono fonte di onde gravitazionali. L'osservazione di onde gravitazionali emesse durante questi violenti processi è l'unico modo per ottenere informazione sulle masse coinvolte nel processo. • Di fatto, dopo 30 anni di intensa ricerca, abbiamo solo una prova indiretta della loro esistenza. Le onde gravitazionali non sono ancora state rivelate e questo costituisce una delle grandi sfide della fisica sperimentale. • L’esistenza di radiazione gravitazionale è intimamente legata all’esistenza di un limite alla velocità di trasmissione dell’informazione. • Nella teoria newtoniana della gravità, dove vale il principio di azione a distanza, non esiste il concetto di onde gravitazionali. • La teoria della gravitazione di Einstein e altre moderne teorie della gravità prevedono l’esistenza di onde gravitazionali come proprio corollario teorico. • Le diverse teorie concordano sulla velocità di propagazione (c), ma non su altre proprietà della radiazione gravitazionale. • Ad oggi esistono delle forti evidenze osservative che le onde gravitazionali seguano le predizioni della Relatività Generale. Solamente un’analisi relativistica permette di giungere alla conclusione (corretta) che le onde gravitazionali sono onde trasversali e che sono rappresentabili non da una quantità scalare, ma da una matrice, h , che contiene le jk informazioni di distorsione dello spazio-tempo indotta dal passaggio delle onde stesse. Il passaggio di un’onda gravitazionale ha quindi come effetto quello di determinare delle distorsioni nella separazione fra particelle. • Le onde gravitazionali distorcono lo spazio tempo e producono forze in maniera tale che la distanza tra due masse altrimenti libere, aumenta e diminuisce alternativamente al passaggio dell'onda. Una caratteristica importante è che a un allontanamento in una direzione corrisponde un avvicinamento nella direzione perpendicolare. Il risultato è che se le masse sono disposte su un cerchio questo sarà alternativamente allungato e schiacciato in due direzioni perpendicolari. Su questo principio sono basati i rivelatori di tali onde. Effetto su un anello di particelle libere L’anello può essere distorto in due modi, corrispondenti ai due possibili stati di polarizzazione indipendenti di un’onda gravitazionale. Possibili sorgenti di onde grav. Coalescenza di BH-BH o neutron stars Esplosioni di supernovae (sorgenti transienti) Stelle di neutroni rapidamente rotanti Onde primordiali NS-NS, NS-BH, BH-BH Il segnale dipende da 15 Parametri! Masse e spins Distanze, posizioni nel cielo,Orientazioni Tempi e fase di arrivo • Ad oggi non esiste conferma diretta dell’esistenza di radiazione gravitazionale. • Tra le sorgenti ritenute probabili troviamo eventi catastrofici (come esplosioni di supernova) e la coalescenza di binarie compatte. • Ovviamente la speranza è quella di scoprire fonti inaspettate. Gravitational Wave Detection • Weber bars • Ground based laser interferometers • Space based laser interferometers Low signal to noise ratio problem Method of matched filtering requires exact templates of the signal New window onto the universe: Gravitational Astronomy LISA- laser inteferometer space antenna Missione Agenzia Spaziale Europea Verrà lanciata nel 2017 Lo scopo e rivelare onde gravitazionali emesse da sistemi binari nella nostra Galassia, da buchi neri supermassicci in altre galassie e da fusione di buchi neri • E’ importante continua la ricerca diretta delle onde gravitazionali perché queste potranno darci infomazioni importantissime sull’Universo. • Infatti esse si propagano senza essere intercettae dalla materia e quindi possono arrivare a noi da regioni lontanissime Esempio di regioni lontanissime: il Big Bang • Mappa di Plank Buchi neri supermassicci nei nuclei delle galassie • I buchi neri al centro delle galassie sono oggi considerati i candidati piu’ probabili per spiegare l’attività energetica delle galassie attive. • Si pensa inoltre che gran parte delle galassie inattive contenga un buco nero nella regione centrale Che cosa è una galassia? Gas Stelle GRAVITA’ Polveri Un buco nero supermassiccio in un nucleo galattico esercita un’enorme forza gravitazionale • sulle stelle e sul gas presenti nelle galassie facendoli muovere ad alta velocità. • La materia che cade in questa ripida buca di potenziale emette enormi quantità di energia. • In M87, una delle galassie piu’ luminose dell’ammasso della Vergine, si vede un getto brillante emergere dal nucleo Le osservazioni di HST rivelano un disco gassoso di 500 anni luce di diametro avente una velocità orbitale che implica una massa centrale di 3 miliardi di masse solari Questa immagine mostra l’eruzione di un M87 “super-vulcano” galattico, come è stato definito, nella galassia M87 e ripresa dal Chandra X-Ray Observatory della NASA e dal Very Large Array (VLA) in New Mexico dell’NSF. Ad una distanza di circa 50 milioni di anni luce, M87 ha al suo centro un buco nero massiccio molto grande che sta impedendo la formazione di centinaia di milioni di nuove stelle. La galassia è relativamente vicina alla Terra e si viene a trovare nel centro dell’Ammasso della Vergine che contiene migliaia di galassie. L’ammasso che circonda M87 è ricco di gas caldi che emettono in X (mostrato in blu) e che sono stati rilevati da Chandra. Man mano che il gas si raffredda viene a “cadere” verso il centro della galassia dove continua a raffreddarsi rapidamente e porterebbe alla formazione di nuove stelle. Tuttavia, osservazioni radio con il VLA (in rosso nell’immagine) suggeriscono che il processo sia interrotto dai getti di particelle di alta energia prodotti dal buco nero massiccio al centro , che sollevano i gas in avvicinamento allontanandoli dalla galassia. Processi fisici molto complessi ad altissime energie nel getto M31: Andromeda, la galassia piu’ vicina alla nostra Presenta un grosso bulbo di stelle al centro del disco. Inoltre è stata osservata la presenza di un buco nero Supermassiccio all’interno del bulbo (bulge) Immagine di M31 ottenuta da HST • Se il doppio nucleo consistesse di due clusters stellari in orbita reciproca, l’attrito dinamico li farebbe fondere in un unico oggetto dopo poche orbite. Descritto sulle pagine di “Nature” dall’italiano Francesco Tombesi, ricercatore alla NASA e associato INAF, il buco nero supermassiccio al centro della galassia IRAS F11119 sferza l’ambiente circostante con venti fino a un quarto della velocità della luce, smorzando la formazione stellare Si tratta d’una galassia piuttosto particolare: una ULIRG (Ultra Luminous Infrared Galaxy), la definiscono gli astronomi, ovvero una galassia estremamente luminosa in infrarosso. Ma il buco nero supermassiccio di circa 16 milioni di masse solari al suo centro – è all’origine d’un fenomeno più generale: quello appunto dello spegnimento sul nascere della formazione stellare per carenza di “combustibile”, rimosso dalle sferzate del vento relativistico. Sagittarius A L’ottica adattiva al telescopio Kek ci permette di eliminare la turbolenza e Vedere bene la zona delc entro della nostra Galassia Immagini del cluster stellare che circonda Sagittarius A • Le frecce indicano il moto delle stelle • S1 ha un moto proprio di 1600 km/s • Queste misure sono state fatte da Genzel e Ghez ad un r=0.02pc Sagittarius A produce flares Il centro della Galassia è un laboratorio per lo studio dei buchi neri (astrofisica dell’accrezione e test di RG) Un recente studio fornisce una interessante spiegazione per questi misteriosi lampi. Il suggerimento è che esista una nuvola intorno a Sagittarius A, , che contenente centinaia di migliaia di miliardi tra asteroidi e comete sarebbero stati strappati dalle loro stelle di origine. Nella figura, il pannello di sinistra rappresenta una immagine ottenuta tramite circa un milione di secondi di osservazione di Chandra nella regione intorno al buco nero: in rosso i raggi X di energia più bassa, verdi i raggi X di energia media e in blu i più “duri”. Un asteroide che subisce un incontro ravvicinato con un altro oggetto, tipo stella o pianeta, può finire in una orbita intorno a Sagittarius A, come mostrato in una serie di illustrazioni artistiche sulla destra dell’immagine. Se capita poi che l’asteroide passi a circa 160 milioni di chilometri dal buco nero, la sua sorte probabile è di essere ridotto a bricioline dalle forze mareali che agiscono per la presenza del buco nero. I frammenti poi sarebbero vaporizzati per frizione quando passano attraverso il gas caldo che viaggia verso il buco nero. Il loro destino è ormai segnato: rimane solo la possibilità di un ultimo “lampo” quando i frammenti sono ingeriti dal buco nero: ecco dunque la probabile spiegazione dei lampi X. Demografia dei buchi neri al centro delle galassie • Nella tabella che segue si vede il censimento dei buchi neri • Le galassie ospiti hanno tipologie diverse: vanno da Ellittiche giganti a Seyfert, Spirali con nuclei moderatamente attivi, molto attivi o non attivi Censimento dei buchi neri Buchi neri supermassicci e formazione di galassie • Ogni bulge contiene un buco nero supermassiccio e la massa del buco nero sia intimamente collegata alla formazione del bulge. • I buchi neri si formano prima e regolano la formazione galattica oppure • le galassie e i buchi neri crescono insieme? Possibili meccanismi di formazione: • Accrescimento a partire da buchi neri di 100 masse solari formatisi nelle fasi primordiali dell’Universo dalle stelle di prima popolazione. • Fusione tra galassie e conseguente fusione dei buchi neri centrali. Proxima la più vicina Sirio la più 4,2 anni fa brillante 8,6 anni fa Le Pleiadi Orione Nebulosa del Granchio 400 anni fa 1500 anni fa 6000 anni fa Cadeva l’Impero Romano... Galassia di Andromeda 2,2 milioni di anni fa Le Galassie osservate più lontane Il telescopio è come la macchina del tempo, guardare lontano equivale a guardare indietro nel passato….. Miliardi di anni fa Ripresa VLA del quasar J1148+5251 E’l'oggetto più distante conosciuto Si trova a circa 13 miliardi di anni luce Si tratta di una galassia giovane, con un nucleo brillante. La luce che osserviamo oggi ci arriva da un epoca quando l'Universo aveva appena 900 milioni di anni circa. Le osservazioni indicano che in quella galassia esiste un buco-nero massivo senza che si abbia la relativa associazione stellare (bulge) di grande massa. La massa totale composta dal buco-nero e dal gas ammonta a circa 11-15 miliardi di masse solari. Sembra che in questo caso il Buco nero si sia formato prima del bulge. LE DOMANDE SULLA FORMAZIONE DEI BUCHI NERI SUPERMASSICCI NON HANNO ANCORA RISPOSTE DEFINITIVE • L’indagine sulla formazione e l’evoluzione dei buchi neri supermassicci e sul legame con la formazione e la differenziazione morfologica delle galassie rappresenta una delle grandi sfide della moderna astrofisica. Termodinamica dei Buchi neri OLTRE LA RELATIVITA’ GENERALE CLASSICA • Secondo le teorie quantistiche pero’ l’orizzonte degli eventi non è proprio nero ma ci sono fluttuazioni vicino ad esso che permettono a un po’ di energia di fuoriuscire CIOE’ IL BUCO NERO EVAPORA • Emissione di energia da buchi neri • (Effetto Hawking) Nella sua tesi di dottorato, Bekenstein avanzò l'ipotesi che l'area dell'orizzonte degli eventi attorno ad un buco nero fornisse una misura dell’entropia e della temperatura dei buchi neri. Parallelamente, nel 1973 due ricercatori sovietici, Zel'dovich e Starobinsky, dimostrarono che buchi neri di Kerr ( in rotazione) erano in grado di creare (nell’ergosfera) particelle le quali, a loro volta, potevano venir espulse nello spazio . Hawking, un anno dopo, estendendo i calcoli anche a buchi neri non rotanti e perfezionando l'intuizione di Bekenstein, dimostrò che la creazione di particelle poteva configurarsi anche in assenza di rotazione dei buchi neri attraverso uno spettro termico analogo a quello proposto proprio da Bekenstein. Il processo di emissione di Hawking sembra contraddire la caratteristica fondamentale dei buchi neri in virtù della quale nulla può emergere dal raggio di Schwarzschild In realtà la radiazione termica non proviene dall'interno del buco nero, ma trae origine da fluttuazioni quantistiche in prossimità della sua superficie. La fisica dei quanti ci dice che esiste sempre un'indeterminazione intrinseca alla quantità di energia di un sistema. Ciò comporta che nessun sistema potrà mai avere energia zero. Lo stesso spazio vuoto è ben lungi dall'essere assimilabile al concetto di vuoto classico. Esso di fatto si presenta come una realtà turbolenta ed irrequieta nella quale coppie virtuali di particelle ed antiparticelle vengono create e distrutte continuamente (v. fig.1). Se però tale coppia virtuale si forma vicino ad un buco nero, può verificarsi che una delle due particelle, quella dotata di energia negativa (antiparticella), cada nel buco nero e l'altra, di energia positiva (particella), se ne allontani. L'effetto netto è un flusso di particelle ad energia positiva verso l'esterno ed un assorbimento di energia negativa da parte del buco nero che, in tal modo, diminuirà la propria massa . Si può inoltre dimostrare che la descrizione matematica della creazione di una coppia formata da un'antiparticella ad energia negativa che precipita in un buco nero e da una particella ad energia positiva che evade dal suo campo gravitazionale (fig. 3), è del tutto equivalente a quella di una particella ad energia positiva che fuoriesce dall'orizzonte degli eventi, viaggiando indietro nel tempo e, successivamente, inverte il proprio cammino spazio temporale allontanandosi nel futuro . In altri tremini l'inversione simultanea del segno dell'energia e del tempo lascia invariato il risultato finale dell'effetto Hawking. Buchi neri quantisitici Fin dalla loro scoperta sono stati un laboratorio teorico eccezionale per la comprensione della forza di gravità e, allo stesso tempo, una vera e propria sfida alle idee su cui si fonda la descrizione delle leggi fondamentali della fisica. Uno dei principi cardine della meccanica quantistica, è l’assunzione che un qualunque sistema in evoluzione conservi l’informazione contenuta in esso, che siano cioè conservati all’interno del sistema tutti i dati necessari a identificare il suo stato iniziale. Nel processo di creazione di un buco nero tutta l’informazione contenuta nella materia che collassa viene confinata al suo interno. • Che fine avrebbe fatto la materia che era stata precedentemente inghiottita dal buco nero? Secondo Hawking, sarebbe stata risputata fuori sotto forma di radiazione: ma la cosa è problematica, perché la radiazione in questione è una specie di rumore completamente casuale, e questo sembra implicare che tutta l’informazione caduta oltre l’orizzonte sia persa per sempre. Sembra una cosa da niente, ma purtroppo la perdita di informazione è incompatibile con tutto quello che sappiamo sulla meccanica quantistica • Una possibile soluzione a queste contraddizioni è offerta dalla teoria candidata a fornire una corretta descrizione della gravità quantistica: la teoria delle stringhe. In base ad essa, i quanti fondamentali non sono particelle elementari puntiformi, ma oggetti estesi noti come stringhe. Per la teoria delle stringhe, un buco nero è un oggetto molto diverso da quello che conosciamo dalla teoria classica di Einstein: l’interno è completamente alterato e la sua nuova struttura, più complessa ma più regolare, permette all’informazione di sfuggire all’esterno, se pure dopo tempi estremamente lunghi, risolvendo la contraddizione tra l’evaporazione e la conservazione di informazione. Buchi come ologrammi • In particolare, lo studio dei buchi neri all’interno della teoria delle stringhe ha portato all’affermazione di un principio, chiamato principio olografico, secondo il quale la gravità sarebbe la manifestazione di una teoria quantistica che vive in uno spazio con un numero minore di dimensioni, proprio come succede in un ologramma, dove un’immagine apparentemente tridimensionale è realizzata tramite una struttura bidimensionale. Se il principio olografico è corretto, qualunque processo fisico, inclusa la formazione e l’evaporazione dei buchi neri, deve conservare l’inormazione. Proprio a seguito dell’affermarsi di queste idee Hawking ha finalmente ammesso la propria sconfitta nella scommessa con Preskill. • Tutti sappiamo all’incirca che cos’è un ologramma: si tratta di una figura in 3D “compattificata” in una superficie bidimensionale attraverso un’opportuna tecnologia di proiezione. Quello che forse non tutti sanno sugli ologrammi è che, se li dividiamo in due, ogni metà è in grado di ricreare l’intera figura, un po’ come quando una lucertola perde la coda. Questo accade perché gli ologrammi sono costituiti da “pixel” ognuno dei quali contiene l’intera informazione relativa all’intera figura. Ciò che caratterizza un ologramma è proprio il fatto che tutta informazione di una figura tridimensionale può essere interamente contenuta in una superficie bidimensionale. • L’ologramma consente di riprodurre, con notevole precisione, un’immagine precedentemente registrata. In fase di registrazione un fascio di luce laser viene inviato sia verso l’oggetto da riprodurre, sia verso una lastra di materiale sensibile. Grazie a un gioco di specchi, la luce che arriva dalla sorgente interferisce con quella riflessa dall’oggetto. Sulla lastra dunque si formano delle linee, chiamate frange di interferenza. Le frange contengono l’informazione sulla tridimensionalità. • Illuminando la lastra con un altro fascio laser, infatti, si riesce a decodificare l’informazione ricostruendo l’immagine tridimensionale dell’oggetto, che finalmente appare allo spettatore come se fosse fisicamente presente. • Negli ologrammi stampati, il reticolo di diffrazione viene riprodotto su un supporto di plastica trasparente, appoggiato a sua volta su uno strato argentato, come avviene in alcune carte di credito • l'entropia di un buco nero è pari a un quarto dell'area dell'orizzonte degli eventi. In altre parole, l'entropia è legata a una superficie e non, come parrebbe più ovvio, a un volume. L'entropia di un bh, intesa come quantità di informazione, si trova sulla sua superficie. • Leonard Susskind della Stanford University ha elaborato l'ipotesi del vincolo olografico: per ogni sistema fisico isolato delimitato da una superficie, l'entropia ha un limite massimo pari a un quarto dell'area diviso per il quadrato della lunghezza di Planck: S ≤ A/4(Lp)2 Principio olografico • Secondo questo principio, la fisica di un sistema tridimensionale può essere descritta da una teoria fisica che si "muove" solo sul confine bidimensionale del sistema in esame. • Se fosse vero, la quantità di informazione contenuta nel sistema non dovrebbe essere maggiore di quella contenuta nella sua superficie. • A questo punto la fantasia ha iniziato a galoppare veloce quanto le intuizioni dei fisici: il nostro universo quadrimensionale potrebbe essere descritto da leggi definite nel suo bordo tridimensionale ? • Potremmo essere tutti una sorta di ologramma? • fisico teorico Juan Maldacena, che ora lavora presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, propose un modello audace di Universo nel quale la gravità è il frutto stringhe vibranti infinitamente sottili. Questo mondo matematicamente intricato delle stringhe, che esiste in nove dimensioni spaziali più una temporale, sarebbe la proiezione olografica di un cosmo più semplice, con meno dimensioni e senza gravità. • L’idea è simile a quella degli ologrammi ordinari, dove l’immagine a tre dimensioni è codificata su una superficie bidimensionale, come l’ologramma impresso sulle carte di credito. L’intero Universo è codificato allo stesso modo” • il "pixel size" dell'universo olografico, stando agli scienziati dovrebbe corrispondere alla scala di Planck: ogni pixel sarebbe cioè circa 10 trilioni di trilioni di volte più piccolo di un atomo. La principessa Leia • Esplosione di buchi neri . Puo’ avvenire per “mini buchi neri” . In questi oggetti l’evaporazione diventa catastrofica (qui si manifesta nuovamente la proprietà di calore specifico negativo dei sistemi autogravitanti) Wormholes : corridoi verso Universi paralleli? (ricordate la soluz. di Kerr) Bisogna tener conto delle enormi forze mareali che un viaggiatore dentro il tunnell subirebbe, anche se riuscisse ad evitare lo sfracello della singolarità…… • Joe Polchinski, un fisico teorico dell’Università di Santa Barbara in California, si è imbattuto in un risultato inaspettato. Si poteva riconciliare l’evaporazione dei buchi neri con la conservazione dell’informazione, sì, ma in cambio di rinunciare alla vecchia storia secondo cui attraversando l’orizzonte non ci si accorge di nulla. Secondo Polchinski, in realtà, l’orizzonte apparirebbe, dall’esterno, come una regione di energia terribilmente alta (un “firewall”, un muro di fuoco) e il meschino che provasse ad attraversarla verrebbe incenerito all’istante. • Negli ultimi due anni, i fisici teorici si sono scornati con la questione del firewall — chi ci crede, chi non ci crede, chi pensa che sia un errore di calcolo, chi che sia un risultato che dice qualcosa di profondo sul legame tra gravità e teoria quantistica, insomma un gran casino. E finalmente, da qui, arriviamo all’ultima uscita di Hawking. Il quale, per evitare la rogna del firewall, ha ipotizzato che forse, dopotutto, l’orizzonte non si forma mai, in realtà. Forse, congettura Hawking, la storia che ci siamo raccontati finora è troppo semplice: nella realtà, il collasso che porta alla formazione di un buco nero potrebbe essere un processo caotico, tale da non dare origine a un orizzonte con una superficie netta, ma piuttosto a una regione turbolenta, da cui l’informazione potrebbe riemergere.
