Reazioni nucleari, crash stellari. Ecco come nasce un buco nero

Tre processi spiegano la nascita dei buchi neri. Così possiamo "fotografarli" e osservare la loro formazione nello spazio interstellare

Immaginate di rinchiudervi dentro un armadio. È tutto buio, totalmente nero. Di fronte a voi avete una camicia, nera pure questa. Se vi chiedessimo di descriverla, la reazione sarebbe scontata: "Come si fa? Non si vede". Risposta logica. La scorsa settimana (leggi qui) ci eravamo lasciati con questo assunto: i buchi neri sono corpi celesti completamente neri, immersi nello spazio interstellare (nero pure lui). Sono insomma la camicia nel nostro armadio. Eppure, pur non potendo "vederli", possiamo affermare che esistono. Come è possibile?

La spiegazione si trova nelle equazioni della relatività generale, attraverso le quali possiamo simulare i movimenti di stelle e altri oggetti intorno ad un buco nero. Osservando movimenti compatibili con queste equazioni, si può concludere che lì al centro è presente un buco nero. Stiamo cioè "vedendo" il buco nero perché riconosciamo l'effetto della sua attrazione gravitazionale sugli oggetti che passano nei paraggi. In un certo senso è simile a chiederci: come facciamo a sapere se un oggetto è un magnete o meno? La teoria del magnetismo dice che se avviciniamo un oggetto metallico ad un magnete, esso viene attratto. Ecco, così come scopriamo che un oggetto è un magnete "vedendo" l'effetto del suo campo magnetico su oggetti metallici, così scopriamo che in una certa regione dello spazio c’è un buco nero "vedendo" l'effetto del suo campo gravitazionale su corpi celesti.

La differenza è che il magnete possiamo vederlo anche con i nostri occhi, mentre il buco nero no, visto che - oltre a non averne (fortunatamente) uno appeso al frigorifero - essi si confondono con lo spazio interstellare. Come abbiamo detto nel precedente articolo, infatti, un buco nero non produce luce come le stelle, né la riflette come i pianeti. Nonostante ciò, quasi un anno fa, è stata annunciata al mondo la "prima foto di un buco nero" (guarda).

Questo strabiliante risultato è frutto di anni e anni di lavoro di una collaborazione mondiale di scienziati che va sotto il nome di "Event Horizon Telescope", il telescopio per fotografare l'orizzonte degli eventi. Ma se il buco nero non emette luce, quale luce è stata impressa sulla "pellicola" del telescopio? Anche in questo caso,stiamo parlando della luce emessa da qualcosa che orbita intorno al buco nero. Ma ciò che rende questa foto così importante e strabiliante, è che la luce catturata è quella emessa dal plasma che si forma molto vicino all'orizzonte degli eventi. Così vicino che nell'immagine possiamo veramente vedere un cerchio nero contornato dal plasma. Quel cerchio nero è l'orizzonte degli eventi del buco nero al centro di M87, una galassia che dista 53 milioni di anni luce dalla Terra! Il buco nero fotografato ha una massa pari a 6 miliardi di volte quella del sole! Numeri pazzeschi!

Un altro strumento a disposizione per osservare i buchi neri è quello delle onde gravitazionali. Per spiegare bene cosa sono ci servirebbe un intero articolo. Quello che è interessante accennare, però, è che osservando le onde gravitazionali si è "visto" per la prima volta un buco nero formarsi.


(Nel video la simulazione del buco nero fotografato dal telescopio Event Horizon Telescope)

E questo ci porta ad un altro quesito interessante: come nasce un buco nero? I processi possibili che conosciamo sono essenzialmente tre. Nel primo, il buco nero è il prodotto finale della vita di una stella molto grande. Vediamo come. Ogni corpo celeste, a causa della gravitazione, tende a collassare su se stesso. Ad una stella non succede perché le reazioni nucleari che avvengono al suo interno tendono a farla esplodere, contro-bilanciando il collasso gravitazionale. Quando però il carburante (l'idrogeno) finisce, la stella non brucia più e inizia a collassare finché, per una reazione particolare, esplode espellendo gran parte del materiale esterno. Resta dunque solo il nocciolo, incapace di produrre nuove reazioni nucleari. A seconda della sua massa, il nocciolo andrà a formare tipi diversi di corpi celesti di grandissima densità: nane bianche, stelle di neutroni o pulsar. Se la massa è superiore a circa 3 volte la massa del sole, il nocciolo collasserà sotto al suo peso fino a superare la famosa barriera di sola andata per formare un orizzonte degli eventi e, quindi, un buco nero.


(Nel video la simulazione di due stelle di neutroni che formano un buco nero)

Il secondo scenario è dovuto a fluttuazioni di densità nei primi istanti di vita dell’Universo: questi si chiamano buchi neri primordiali, ma ne sappiamo molto poco per approfondirli in questa sede. Il terzo processo, che è quello dal quale è partito questo detour, è dato da due stelle di neutroni che “spiraleggiano” una intorno all’altra fino a scontrarsi. Il prodotto di questo spettacolare scontro è una stella di neutroni molto pesante (più di 3 masse solari) che collassa quasi istantaneamente a formare un buco nero. Nel 2017 gli esperimenti LIGO in America e VIRGO a Cascina (Pisa) hanno rilevato il primo segnale di onde gravitazionali compatibile con questo processo di formazione.

Nel primo articolo di questa nuova serie abbiamo capito che quello che definisce un buco nero è il suo orizzonte degli eventi, una superficie sferica immateriale oltre la quale anche la luce è destinata a muoversi verso il centro. Oggi abbiamo capito che un buco nero si forma dal collasso di stelle di grande massa, o dallo scontro di stelle di neutroni che non avrebbero formato un buco nero da sole. La domanda che potrebbe sorgere è: ma che fine fa la stella che è collassata oltre l'orizzonte degli eventi, così come tutto quello che cade in buco nero e non può più uscirne? O in altre parole, cosa c’è dentro un buco nero? Come direbbero nelle migliori serie: lo saprete nella prossima puntata.

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Commenti

cir

Dom, 22/03/2020 - 15:49

smettiamola di pagare certa gentaglia che serve a nulla !!

Ritratto di theRedPill

theRedPill

Dom, 22/03/2020 - 16:52

Cir, ma di chi stai parlando, dei politici forse? In questo articolo si parla di scienza cioè la conoscenza, che serve sempre. Anche lo studiare fenomeni così distanti da noi come gli oggetti galattici porta risultati prima o poi. Si può invece discutere sull'utilità di inferire nozioni fisiche (la realtà che apprendiamo tramite esperimenti, misurazioni e osservazioni) tramite la matematica (la più complessa invenzione umana, che in alcuni casi descrive il mondo reale e in altri no). Osservare l'universo e in questo caso i buchi neri serve per capire i limiti della teoria attuale, poiché non tutte le soluzioni delle equazioni matematiche sono utili.

Ritratto di TRANTOR

TRANTOR

Lun, 23/03/2020 - 10:09

Articolo interessantissimo come quelli che lo hanno preceduto. Grazie per il lavoro che fate.

tremendo2

Lun, 23/03/2020 - 10:55

si dice "superficie sferica immateriale". Cosa intende l'autore o gli autori per "immateriale"? Forse qualcosa che non è "materia"? E poi non è la prima volta che chiedo cosa intendano per "materia", ma non lo sanno, non sono capaci di rispondere. Forse qualche lettore potrebbe aiutarli.

Ritratto di Menono Incariola

Menono Incariola

Lun, 23/03/2020 - 10:57

Lodevole iniziativa, ma temo fatica sprecata: la maggioranza dei lettori del Giornale, pur non essendo certamente stupida, direi che e' risonante con altri argomenti piuttosto che con la fisica teorica e l'astronomia. Penso siano piu' attratti dalla tecnologia, peccato, perche' molte nuove tecnologie si sono costruite proprio su scoperte teoriche apparentemente inutili.

ondalunga

Lun, 23/03/2020 - 11:55

@cir...si legga la Gazzetta Sportiva, li si che troverà tanta gente pagata molto ma molto bene e che serve al mondo...@tremendo2: la materia è ciò che ha una massa, la luce NON è materia perchp i fotoni son senza massa ed è per quello che riescono a raggiungere la veloceità della luce, la più alta ed irraggiugibile da ciò che ha un massa. La "superficie" di un buco nero è immateriale in quanto rappresenta il limite da cui si potrebbe (anche per la luce) sfuggire dalla sua gravità, sotto tale "superficie" chiamato orizzonte degli eventi non si sa bene come tutta la materia e la luce intrappolati si comportino per cui non si sa, a parte alcune teorie, come la materia si distribuisca ed in quale stato, se è tutta accumulata al centro o se si distribuisca entro tale orizzonte.

ondalunga

Lun, 23/03/2020 - 11:55

(2-cont) Un pò come la superficie della terra, la facciamo iniziare al suolo ? O sarebbe più corretto da dove comincia l' atmosfera ? E dove far cominciare l' atmosfera, a quale concentrazione di gas rispetto al vuoto circostante ? Il vuoto poi non è completamente vuoto per cui è arduo definire anche dove finisca-cominci l' atmosfera....

ersteller

Lun, 23/03/2020 - 11:58

@tremendo2: "superficie sferica immateriale" nel senso che se superi quel limite sei intrappolato e non puoi più tornare indietro. Non la vedi, non la tocchi ma se superi quel confine (il cosiddetto "orizzonte degli eventi") non puoi far altro che 'cadere' sempre più. @cir: che vergogna nel 2020 vedere che davanti a un computer (!) c'è ancora della gente come te!

Ritratto di C.L.N.

C.L.N.

Lun, 23/03/2020 - 12:59

Stante la situazione globale del nostro caro e amato pianeta, che è veramente disastrosa, trovo del tutto irresponsabile sottrarre miliardi e miliardi di dollari o Euro per finanziare delle ricerche spaziali che nella migliore delle ipotesi daranno dei significativi risultati tra migliaia di anni (vedi viaggi nell'universo per "colonizzare" esopianeti del tutto virtuali). Se tali immensi capitali fossero destinati alla cura del Pianeta Terra e dei suoi abitanti, tutto andrebbe molto meglio e tutti saremmo benestanti. Non ci sarebbero più fame e sete nelle popolazioni attualmente più povere e abbandonate. Ma per arrivare a questo stadio evolutivo l'uomo dovrebbe cambiare radicalmente il suo modo (molto egoistico) di vedere il mondo. Utopia???!!!

ondalunga

Lun, 23/03/2020 - 13:51

@CLN: spenga subito TV, PC e cellulare, tali "osceni strumenti" funzionano in base ad elettromagnetismo, meccanica quantistica e relatività. Spenga tutto subito a vada a comprare delle candele per guardarsi allo specchio. Buon Medioevo. Dimenticavo in genere le candele son fatte da stearina cioè paraffina che vien dalle raffinerie che son controllate mediante sistemi di controllo a microprocessore...spenga tutto che è meglio.

Ritratto di Carlo_Rovelli

Carlo_Rovelli

Lun, 23/03/2020 - 14:48

Per fortuna che ci sono commenti come quelli di cir e C.L.N.: sprecare fondi nelle ricerche sui buchi neri e sul perche' i buchi neri sono neri e' esattamente come era sprecar tempo a discutere sul sesso degli angeli o su quanti angeli siedono sulla capocchia di uno spillo mentre i barbari stanno invadendo Roma. Fare e finanziare ricerca sui buchi neri, che nessuno ha mai visto e nemmeno mai vedra', e' puro spreco di tempo e risorse. Basta non se ne puo' piu'. La ricerca sulla cosmologia e sulla relativita' generale serve solo a fabbricare sogni, film di fantascienza di bassa lega. Questo non vuol dire che la ricerca in fisica e teorica non siano di una grande utilita', ma vi sono decine e decine di altri argomenti altrettanto stimolanti e di grande complessita'. Mettere i giovani a perder tempo su queste speculazioni senza prospettiva e' un danno sociale inestimabile. Basta buchi neri, basta cosmologia!

ondalunga

Lun, 23/03/2020 - 15:05

@Carlo_Rovelli: in primis per favore cambi nick usare quello di un fisico teorico mi sembra sciocco. Il paragone con il sesso degli angeli mi sembra cozzi molto bene con la sua mentalità, vede mentre discutere su esso voleva dire discutere del nulla, perchè gli angeli non esistono nè possono avere un sesso mentre la cosmologia esiste e studia come è fatto il nostro ambiente, come funziona il nostro universo e se un giorno si arriverà magari alla fusione nucleare che risolvera i problemi energetici umani lo si dovrà anche all' aver capito il tutto, buchi neri inclusi. Legga topolino che è meglio e spenga anche lei i suoi apparati...

Ritratto di theRedPill

theRedPill

Lun, 23/03/2020 - 15:17

Egregio Carlo_Rovelli, una delle ricadute della Relatività Generale è il sistema GPS; magari a lei non serve, ma il mondo ne fa un grande uso al momento. Probabilmente senza quella teoria avremmo lo stesso il GPS, ma per avere la stessa precisione servirebbero infrastrutture molto più complesse.

ersteller

Lun, 23/03/2020 - 16:04

TERRIFICANTE sapere seduti davanti a degli immeritati computer bipedi tipo cir, C.L.N. e l'altro che non nomino per rispetto al grande fisico italiano. Sapessero quello che succede quando accendono non dico il computer, ma la luce di casa, forse starebbero zitti.

ersteller

Lun, 23/03/2020 - 16:12

@theRedPill: non credo che infrastrutture più complesse potrebbero aver contribuito alla precisione del GPS. Infatti in assenza delle equazioni di Einstein non ci saremmo resi conto che il tempo scorre più velocemente allontanandosi dalla sorgente di un campo gravitazionale, ed è appunto questa 'piccolezza' che ha permesso la precisione del GPS (piccolo aneddoto: gli ingegneri creatori dei primi satelliti GPS non credevano davvero a questa faccenda, ed inserirono la correzione einsteniana a posteriori, dopo aver verificato le inesattezze derivanti dall'ignorarla).

Ritratto di theRedPill

theRedPill

Lun, 23/03/2020 - 16:57

@ersteller: una soluzione l'avremmo sicuramente trovata, ma più dispendiosa; la Generale, risolvendo il problema alla radice, offre una soluzione più elegante e semplice.

Ritratto di C.L.N.

C.L.N.

Lun, 23/03/2020 - 17:50

@ondalunga: lei è la dimostrazione vivente che l'uomo non ha nessuna intenzione di cambiare questo sistema perverso di società. Forse lei dovrebbe riflettere un po' di più e magari "spegnersi" per meditare se ciò che l'umanità ha fatto sino ad oggi è servito veramente a darci un'esistenza degna di essere vissuta.

Ritratto di C.L.N.

C.L.N.

Lun, 23/03/2020 - 17:56

@ersteller: quando lei sarà al nostro livello di autoanalisi noi saremo già sui suoi buchi neri mentre lei sarà ancora nella preistoria a giiocare con la clava. Si taccia da solo: noi continueremo tranquillamente a parlare anche senza la sua autorizzazione.

ondalunga

Lun, 23/03/2020 - 18:51

@CLN: il sistema perverso che va cambiato è quella della finanza che si mangia tutto, delle lobbies iperpotenti, dei ricconi che per diventare più ricchi mandato paesi e genti sul lastrico o semplicemente un pochino più povere ogni giorno che passa. Sulla conoscenza umanistica (ormai "spenta" da tempo) e quella scientifica invece è lei che dovrebbe "accendersi" e sperare che cresca anchesolo per la sua bellezza in se.

Ritratto di C.L.N.

C.L.N.

Mar, 24/03/2020 - 12:03

@ondalunga: lei non capisce niente o fa finta di non capire per non pagare dazio! La perversione del sistema è proprio lì: come crede che si finanzi la ricerca dei buchi neri o affini?!! Proprio con gli investimenti della finanza speculatrice, con gli investimenti dei riccastri cattivoni che vedono già nel cosmo la loro infinita fonte di denaro futuro, per non parlare poi della pura follia di andare a colonizzare Marte invece di proteggere e migliorare la vita sulla Terra. Stia tranquillo che io sono molto più "acceso" di lei e non vedo nessun motivo per "adorare" certa scienza che non ha assolutamente alcuna "bellezza" in sè ma sottrae risorse preziose al bene del Pianeta su cui, non lo dimentichi mai, noi stiamo vivendo: altri pianeti uguali al nostro non ce ne sono; dobbiamo quindi tenerci molto caro questo!

Ritratto di TRANTOR

TRANTOR

Mar, 24/03/2020 - 13:02

E basta polemizzare su questioni economico - politico - filosofiche. Quel che interessa è la conoscenza ed il progresso della scienza. In qualsiasi campo. Per esempio mi piacerebbe sapere che fine fa la materia precipitata all'interno di un buco nero. Rimane supercompressa? Lacera il tessuto spazio-temporale? Può esplodere un buco nero come un quasar?

tremendo2

Mar, 24/03/2020 - 15:12

sig. ondalunga, per me materiale è tutto ciò che è rilevabile dai nostri sensi o da strumenti scientifici, quindi anche la luce per me è materiale. Ciò che è materiale è dentro le coordinale dello spazio. Ciò che invece non è materiale sono per esempio i sentimenti o il pensiero, perché non sono dentro le coordinale dello spazio. Vede come è importante definire il significato delle parole?

tremendo2

Mar, 24/03/2020 - 15:17

sig. ondalunga. Nel suo secondo intervento finalmente concorda con me. Cioè atmosfera, superficie, vuoto, (e quindi anche materia ecc.) sono SOLO COSTRUTTI MENTALI, cioè sono forme che NOI attribuiamo a quello che percepiamo nello spazio.

tremendo2

Mar, 24/03/2020 - 15:21

per ersteller. Limite, confine, ecc. sono solo costrutti mentali, non sono oggetti, così come triangolo, cerchio, retta, ecc. Sono forme create dalla nostra mente che NOI ATTRIBUIAMO a ciò che percepiamo. Insisto a ripetere questi concetti perché il vizio degli scienziati è di confondere ciò che si percepisce con ciò che invece è frutto della nostra attività mentale.

cir

Mer, 25/03/2020 - 12:22

ondalunga Lun, 23/03/2020 - 11:55 .. pensare che il calcio e' la tua materia !! ascolta le parole di C.L.N. , e mentre ci sei dimmi perche' i pomodori non crescono piu', perche' il pane e' immangiabile, perche' le pizze sono di gomma, molto piu' utile che inventarsi teorie strampalate sull' universo.