Black Holes

La spinta della forza di gravità è perfettamente

 controbilanciata dall’energia che fuoriesce dalla

fornace nucleare della stella

Quando una stella esaurisce l’idrogeno da

 fondere, la gravità ne comprime il nucleo inerte,

che innalza la temperatura fino a permettere

l’innesco(10 °C) di reazioni nucleari di fusione;

8

gli strati esterni si gonfiano finché le dimensioni

della stella aumentano di centinaia di volte: ora

è una gigante rossa

La forza di gravità ha una debole presa sugli

 strati esterni delle giganti rosse, che sono

altamente instabili 9

Una gigante rossa che deriva da una stella

 molto massiccia ha una temperatura sufficiente

da fondere elementi più pesanti dell’idrogeno

fino ad arrivare al ferro

Dall’esplosione di una gigante rossa si forma

 una supernova

Il nucleo della supernova è costituito

 prevalentemente di ferro

Ma fondere il ferro consuma energia invece di

 produrla perché è molto stabile

Ne risulta il collasso interno e l’enorme energia

 gravitazionale liberata improvvisamente lacera

la stella 10

Black out, l’oscurità

Quando i residui lasciati dall’esplosione di

 una supernova pesano più di 3 masse

solari, la forza di gravità fa collassare

l’oggetto fino alla formazione di un

BUCO NERO 11

3. Scoperta dei buchi neri

Lenti gravitazionali:

 lo spazio incurvato

attorno ad un buco

nero agisce come una

lente, focalizzando la

luce di una stella

distante, tanto da

farla apparire più

luminosa 12

Quattro miraggi di un quasar a

causa della lente gravitazionale

Passaggio di una galassia dietro ad un buco nero:

si nota il buco nero a causa della distorsione

spazio-tempo che produce nel suo intorno 13

Onde gravitazionali:

 possono essere

prodotte da due

oggetti massicci in

orbita uno attorno Onde gravitazionali prodotte da un

all’altro. Queste onde buco nero che si propagano nello

spazio

increspano lo spazio

diffondendosi

tutt’intorno. 14

Sorgente di raggi X: in un

 sistema binario(es.: Cygnus

X-1) il gas viene sottratto alla

stella supergigante dalla forza

di gravità del buco nero. Il gas

crea un disco di accrescimento

rotante viaggiando più veloce Sistemi binari stella-buco nero

quanto più si avvicina al buco che ruotano attorno al loro

nero. Vicino al buco nero il gas baricentro

è abbastanza caldo da

emettere raggi X prima di

scomparire per sempre

Distorsione spazio-

tempo attorno ad

un corpo

supermassiccio 15

4. Anatomia dei buchi neri

La depressione formata dal buco nero crea una

 sorta di pozzo gravitazionale. Una volta

all’interno dell’orizzonte degli eventi, la luce

precipita con un moto a spirale per il pendio del

pozzo gravitazionale

La luce(linea azzurra) può passare

vicino ad un buco nero senza caderci,

ma se entra nella sua orbita precipiterà

nel pozzo con un moto a spirale 16

L’orizzonte degli eventi, il

 confine di un buco nero, è

una superficie

immaginaria dove la

velocità di fuga raggiunge

la velocità della luce. È

situato alla distanza di un

raggio di Schwarzschild Rappresentazione artistica di un

orizzonte degli eventi

Rappresentazione

schematica di un

orizzonte degli

eventi 17

Ogni buco nero ha al suo centro una

 punto di densità infinita che

singolarità:un

virtualmente non occupa spazio e che

quindi contiene l’intera massa della stella

morta

I buchi neri non hanno capelli: non

 presentano caratteristiche esterne che

permettano di distinguerli, ma conservano

solo la rotazione, la carica e la massa

degli oggetti che vi cadono dentro. La

gravità elimina tutte le altre proprietà 19

5. Famiglia di buchi neri

di

Schwarzschild

di di

Buco nero Kerr

Kerr-Newman di

Reissner-Nordstrom 20

Buco nero di

 Schwarzschild

è la soluzione più

• semplice ma più

improbabile

senza rotazione né carica

• consiste solo in una

• singolarità circondata da

un orizzonte degli eventi 21

Buco nero di Kerr

 presumibilmente

• corrisponde alla

situazione reale

dotato di rotazione, la

• singolarità ha forma di

anello circondato da due

orizzonti degli eventi

c’è l’ergosfera, una

• regione dove la materia

viene risucchiata e fatta

ruotare vorticosamente 22

Buco nero di Reissner-

 Nordstrom

ha carica ma non

• rotazione

presenta due orizzonti

• degli eventi. La regione

tra di essi è una zona a

senso unico dove la

materia è forzata a

muoversi verso l’interno.

Superato l’orizzonte più

interno la materia non

subisce più la forte

attrazione 23

Buco nero di Kerr-Newman

 è la soluzione più generale

• riguarda la situazione in cui si ha sia

• rotazione che carica elettrica 24

6. Singolarità

Una singolarità è il trionfo definitivo della

forza di gravità , la compressione della

materia a densità infinita.

Se la stella che viene compressa non è in

o rotazione, la gravità schiaccia la materia in

modo simmetrico e la singolarità risultante

è un punto infinitamente piccolo

Se viene schiacciato un oggetto in

o rotazione, le forze centrifughe gli fanno

assumere la forma di un anello

infinitamente sottile 25

Se la velocità di rotazione di un buco

o nero(di Kerr) è molto elevata, gli orizzonti

degli eventi si uniscono e la singolarità

diviene visibile: si è creata una singolarità

“nuda”. Senza l’orizzonte degli eventi, non

vi è nulla a proteggere l’universo che la

circonda: governerebbe l’anarchia totale! 26

7. Evaporazione dei buchi neri

Hawking trovò che intorno ad

un buco nero era emessa

energia dal campo

gravitazionale e ciò gli

sottraeva energia e massa.

Questa radiazione di

Hawking è trascurabile per la

maggior parte dei buchi neri,

ma quelli piccoli emettono

energia ad un tasso molto

elevato finché esplodono La luce “emessa” dal buco nero è la

violentemente radiazione di Hawking 27

8. Leggende sui buchi neri

Buchi bianchi: ad ogni buco

 nero corrisponde un buco

bianco, da cui la materia

inghiottita riemerge. La

materia si può muovere solo

nella direzione buco nero-

buco bianco. Non esiste

alcuna prova sperimentale né

necessità teorica per

l’esistenza dei buchi bianchi 31

Wormhole: sono tunnel

 cosmici, creati dalla

deformazione dello

spazio circostante il buco

nero fino a portare due

lembi di spazio-tempo,

solitamente distanti tra

loro, a toccarsi. Essendo

percorribili in entrambi i

sensi, permetterebbero Esempi di wormhole

viaggi nel tempo alla

velocità della luce, anche

se pare che il tunnel sia

molto instabile 32

Big bang da un buco

 nero: il big bang è

dovuto all’esplosione

di un buco nero che

aveva

precedentemente

inghiottito tutta la

massa dell’universo.

Quindi l’espansione e

la contrazione

dell’universo sono Fase di espansione dell’universo

regolate dai buchi neri

presenti al centro

delle galassie 33

9. Ricerche sperimentali

Presso il CERN di Ginevra è in costruzione un

acceleratore di particelle, il Large Hadron

Collider(LHC) che, quando entrerà in funzione

potrebbe permettere di approfondire la

conoscenza teorica dei buchi neri. Si potrebbero

inoltre generare dei mini buchi neri che a causa

della radiazione di Hawking dovrebbero

evaporare in circa 10 secondi. Se succedesse

-42

si potrebbe verificare l’esistenza della radiazione

di Hawking 34