Astronomia Invisibile: lo Studio dei Buchi Neri

ASTRONOMIA DELL'INVISIBILE:
I BUCHI NERI
Massimo Cappi
Istituto di Tecnologie e Studio delle Radiazioni Extraterrestri
Uno dei misteri più affascinanti dell'astrofisica moderna riguarda l'origine ed il funzionamento dei buchi neri.
Cosa sono? Come si formano? Come si "vedono"? Quanti/dove sono? Come e perché studiarli? Di seguito,
riassumo brevemente l’attuale stato dell’arte delle nostre conoscenze su questi oggetti enigmatici.
Che cos’è un buco nero?
Per la teoria della relatività generale di Einstein, qualsiasi oggetto (di massa non nulla) distorce
lo spazio-tempo che lo circonda (vedi Figura); tanto più è grande la massa dell’oggetto, maggiore
è la distorsione che ne risulta. In questa teoria, la forza gravitazionale (la gravità) di un oggetto
si può quindi intendere come un semplice effetto geometrico (una pallina che passa vicino alla
terra viene deviata oppure cade sulla terra per via della "buca" nello spazio-tempo creata dalla
terra stessa). Anche la luce segue le "linee rette" dello
spazio-tempo, e quindi anch’essa è deviata da oggetti
massicci.
Un buco nero si può definire come un oggetto per cui la
velocità di fuga (velocità necessaria per sfuggire
dall’attrazione gravitazionale dell’oggetto) è maggiore
della velocità della luce. Ossia si definisce buco nero
quella zona dove la materia è cosi densa, che la gravità
esercitata è tale da "catturare" anche la luce (vedi figura).
Già nel 1790, John Michell (UK) e Pierre Laplace
(Francia) suggerirono indipendentemente l’esistenza di
stelle così compatte da risultare "invisibili" (ossia nere),
ma solo nel 1967 il termine "black hole" (buco nero) fu
introdotto dal fisico teorico americano John Wheeler.
Come si formano?
Ad oggi, si conoscono due grandi "famiglie" di buchi
neri: quelli "stellari" di massa pari ad 1-10 volte la massa
del sole (Msol) e quelli "supermassicci" di massa 1-100
milioni di volte Msol.
I primi sono il risultato finale ("morte") dell’evoluzione di
stelle massicce (Mstella=10-100Msol), che dopo aver
bruciato tutto il loro "carburante" (l’idrogeno) in qualche
milione di anni, espellono le loro parti più esterne
Rappresentazione visiva della forza di gravità
(esplosione di Supernovae) mentre le loro parti interne per terra, sole, stella di neutroni e buco nero.
implodono in una stella di neutroni o buco nero.
I secondi sono al centro di molte (forse tutte) le galassie, inclusa la nostra (la Via Lattea), e si
sono probabilmente formati al loro centro quando anch’esse si formavano (circa 10-15 miliardi
di anni fa). Questi sono probabilmente il risultato di un collasso gravitazionale veloce di enormi
Resoconto, Porte Aperte sulla Ricerca: Universo 2000 (a cura di B. Gualandi e C. Melis)
Area della Ricerca del C.N.R., Bologna, Dicembre 2000
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concentrazioni di stelle/materia primordiali (anche 100 milioni di stelle). Questa materia ora
occupa volumi pari a quello del nostro sistema solare.
Come si vedono?
Secondo quanto scritto sopra, i buchi neri dovrebbero
essere neri ed effettivamente questi sono neri. Tuttavia si
riescono a vedere grazie alla materia circostante che,
attratta dal buco nero, si accumula in un disco di
accrescimento (vedi figura) che si comprime, si scalda
(per attrito), e quindi emette in realtà moltissima luce, in
particolare raggi X e Gamma. John Wheeler ha
paragonato l’osservazione dei dischi di accrescimento ad
una ballerina vestita di bianco che balla con un ballerino
vestito di nero in una sala buia…si riesce a vedere solo la
ballerina, ma il suo ruotare intorno ad un asse fisso
permette di indovinare la presenza del ballerino!
Immagine ottica HST di una galassia con
Paradossalmente quindi, i buchi neri supermassicci (o probabile buco nero supermassiccio (AGN)
meglio, il loro disco di accrescimento, (vedi figura) sono
di fatto gli oggetti più luminosi dell’Universo (assieme ai Gamma-Ray Bursts, vedi conferenza
di E. Pian) e, pur essendo di dimensioni ridottissime, raggiungono spesso luminosità pari ad 1
milione di volte quella dell’intera Via Lattea. In gergo astronomico, vengono chiamati Nuclei
Galattici Attivi (AGN) e/o quasars.
Quanti/dove sono?
L’Universo è composto da circa 100 miliardi di galassie, che
sono composte a loro volta di 100 miliardi di stelle. Si stima che
ci possano essere circa 100 buchi neri stellari e circa 1 buco nero
supermassiccio per galassia!
Come si studiano?
Disegno di un disco di accrescimento
L’informazione sui buchi neri, cioè dalla materia circostante, ci
proviene dallo spazio sotto forma di luce a varie energie che gli
astronomi rivelano ed analizzano. I buchi neri supermassicci si
possono ad es. studiare nelle onde radio (con telescopi/antenne a
terra), nella luce ottica (con telescopi/osservatori ottici), e
soprattutto nei raggi X e Gamma (con satelliti orbitanti, ad es. il
satellite italiano BeppoSAX).
Perché si studano?
In generale per imparare di più del nostro Universo e delle leggi che lo regolano, anche in
condizioni estreme. In particolare, essendo i buchi neri supermassicci gli oggetti più luminosi
che conosciamo, possiamo vederli anche quando sono molto lontani. Essendo la velocità della
luce finita (e pari a 300.000 km/s) e non infinita, "vedere" un oggetto lontano significa vederlo
quando era "giovane", e questo ci permette di ricavare informazioni su come era l’Universo
quando era ancora molto giovane (meno di 1/10 l’età attuale), all’epoca in cui le galassie e le
stelle ancora si stavano formando.
Resoconto, Porte Aperte sulla Ricerca: Universo 2000 (a cura di B. Gualandi e C. Melis)
Area della Ricerca del C.N.R., Bologna, Dicembre 2000
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