Esiste il tempo tesina

M

raggio, un qualunque corpo di massa e raggio inferiore a avrebbe

2

c

una velocità di fuga superiore a c, di conseguenza nulla sarebbe in grado di sfuggirgli e

persino la luce verrebbe imprigionata al suo interno; a questa spiegazione data dalla

fisica classica, si aggiunge quella relativistica, che afferma che la deformazione dello

spazio-tempo dovuta ad una densità così elevata è tale che la luce subirebbe un redshift

gravitazionale infinito e consumerebbe tutta la sua energia nel tentativo di sfuggire

all’attrazione.

Un simile oggetto prende il nome di buco nero e può essere prodotto da una stella che

collassa su se stessa.

Non si sa che fine faccia la materia catturata, potrebbe finire in un altro universo, o in

un’altra regione del nostro universo, o semplicemente rimanere bloccata all’interno del

buco nero.

La superficie ideale che segna il punto, oltrepassato il quale, sarà impossibile tornare

indietro è detta orizzonte degli eventi; nulla di ciò che ha oltrepassato questo confine

può riattraversarlo, neanche la luce, quindi un buco nero non è osservabile se non

indirettamente attraverso gli effetti che produce sullo spazio circostante.

L’esistenza di un corpo con una velocità di fuga così elevata fu teorizzata fin dal XVIII

secolo, ma fu con Karl Schwarzschild, nel 1915, che apparve la prima soluzione della

relatività che dava luogo a un buco nero.

Tuttavia il cosiddetto raggio di Schwarzschild,

che non è altro che il raggio della sfera all’interno

della quale l’intera massa deve essere contenuta

affinché il corpo abbia velocità di fuga superiore

a c, assunse la forma di una singolarità, vale a

dire che alcuni termini dell’equazione di Einstein

divennero infiniti.

Einstein concluse che la formazione di buchi neri

non fosse possibile, in quanto per raggiungere

13 Curvatura spazio-temporale provocata da un buco nero,

archivio NASA

quella densità le particelle avrebbero dovuto superare la velocità della luce,

contraddicendo la teoria della relatività ristretta.

In seguito Oppenheimer e Snyder calcolarono che la densità può essere raggiunta se le

particelle collassano radialmente.

Un buco nero può formarsi da una stella che abbia una massa qualche decina di volte

quella del Sole, anche se non è da escludere l’esistenza dei cosiddetti buchi neri

primordiali di origine non stellare.

In ogni caso, per il teorema dell’essenzialità, i buchi neri hanno solo tre parametri

osservabili dall’esterno, massa, carica elettrica e momento angolare, tutte le altre

informazioni restano celate dietro l’orizzonte degli eventi, dando luogo a quello che

viene chiamato paradosso dell’informazione.

Dei tre parametri l’unico necessariamente presente è la massa, che può avere qualsiasi

valore, al contrario gli altri due, se sono presenti, sono vincolati alla massa dalla

( )

2

J

2 2

+

Q ≤ M

disequazione , dove Q è la carica elettrica, J il momento angolare e

M

M la massa, se un buco nero rispetta questa disuguaglianza è detto estremale; se al

contrario la viola, si ha una singolarità nuda, vale a dire un punto in cui si raggiunge

densità infinita, ma privo di orizzonte degli eventi e quindi osservabile dall’esterno.

Al centro di ogni buco nero è presente una singolarità gravitazionale che ha densità

infinita, quindi quando un corpo in caduta raggiunge quel punto viene schiacciato per

uniformarsi a quella concentrazione; durante la sua caduta il corpo subirebbe un

progressivo allungamento, conosciuto come spaghettificazione, dovuto al fatto che le

parti più vicine al centro subiscono un’attrazione maggiore di quelle più lontane.

Il processo più comune che porta alla formazione di un buco nero è quello che avviene

alla fine della vita di una stella, tuttavia prima di vedere cosa accade in questa fase è

bene ripercorrere l’intero ciclo vitale.

Tutto inizia all’interno delle nebulose, degli addensamenti di polvere e gas freddi, che

restano in equilibrio dinamico finché l’energia cinetica dei gas e quella potenziale della

gravità hanno lo stesso valore, tuttavia in seguito all’esplosione di una supernova o alla

collisione tra due galassie possono diventare instabili e, a questo punto, al loro interno si

creano degli addensamenti, i globuli di Bok, nei quali possono innescarsi dei moti

turbolenti.

I globuli si frammentano in ammassi più piccoli, in

cui inizia un processo di aggregazione che dà vita ad

una protostella, il calore aumenta con l’avanzare della

contrazione, tuttavia se la massa di partenza è troppo

piccola la trasformazione si arresta e il corpo, che

torna ad essere freddo, diventa una nana bruna, che

non produce energia.

Se invece l’addensamento ha una massa abbastanza

elevata, la temperatura aumenta fino a 15000000 di

gradi Kelvin e innesca una reazione termonucleare

che trasforma l’idrogeno in elio e, liberando calore, fa Galassia Via Lattea, costellazione di Orione,

14 nebulosa Testa di Cavallo, archivio NASA

aumentare la pressione che i gas esercitano verso l’esterno compensando in questo

modo la forza di gravità.

Questa è la fase chiamata sequenza principale, durante la quale le stelle espellono

particelle cariche nello spazio, e la cui durata diminuisce all’aumentare della massa

della stella.

Terminato l’idrogeno il nucleo si contrae, ma l’incremento di temperatura scatena nuove

reazioni termonucleari che convertono l’elio in carbonio.

Le stelle con la massa più elevata possiedono un nucleo stratificato, al cui interno

procedono contemporaneamente diversi processi termonucleari, che portano alla sintesi

di elementi sempre più pesanti man mano che si procede verso l’interno del nucleo.

Il forte calore fa sì che i gas si espandano, aumentando la superficie e raffreddandola,

quando la forza di gravità interrompe questo processo la stella, di nuovo in equilibrio,

viene chiamata gigante rossa.

Una volta terminato il combustibile nucleare, la stella si avvierà alla fine,ed è qui che le

strade di questi corpi celesti si differenziano, in quanto avranno destini diversi in base

alla loro massa iniziale.

Quelle con massa di poco inferiore a quella del Sole collassano in corpi ad alta densità,

le nane bianche, che hanno una bassissima luminosità e che si raffreddano lentamente

fino a diventare nane nere, le cui esplosioni atomiche diventano oscure e non sono più

osservabili ad occhio nudo.

Le stelle con la stessa massa del Sole espellono i loro strati più esterni mantenendo solo

il nucleo rovente che dopo migliaia di anni comincia a raffreddarsi e diventa una nana

bianca, a volte può capitare che la stella esploda, in tal caso prende il nome di nova.

Una massa che supera di una decina di volte quella del Sole innesca una catena di

reazioni termonucleari che portano alla formazione di un nucleo di ferro; il violento

collasso genera un’esplosione in cui parte della stella, detta supernova, si disintegra, la

materia restante collassa raggiungendo una densità tale che protoni ed elettroni fondono

e formano una stella di neutroni.

L’ultimo scenario possibile è quello in cui la stella abbia massa iniziale qualche decina

di volte quella del Sole: in questo caso dopo l’esplosione della supernova non ci sono

più forze sufficienti a contrastare quella di gravità, quindi il collasso continua fino a

raggiungere la densità di un buco nero.

Tuttavia lo stesso risultato può essere raggiunto da una stella di neutroni appartenente ad

un sistema binario, è possibile infatti che questa inglobi parte della massa della vicina e,

superata la massa critica, si avvii verso un

collasso infinito.

Un buco nero primordiale può derivare da una

qualsiasi quantità di materia che, sottoposta a

pressioni molto elevate, collassi; è però necessaria

la presenza di perturbazioni nella densità del

corpo che permettano alla massa di continuare a

convergere.

Nel 1974 il fisico Stephen Hawking dimostrò per

la prima volta che ogni buco nero emette in realtà Buco nero, rappresentazione artistica, archivio

15 NASA

alcune particelle in quantità inversamente proporzionale alla sua massa, tuttavia questi

flussi, noti come radiazione di Hawking, non trasportano alcuna informazione relativa

all’interno del buco nero.

Per superare questo paradosso dell’informazione gli scienziati hanno elaborato diverse

teorie, come il principio olografico, in base al quale le informazioni cadute nel buco

nero non vanno perse in quanto rimangono sulla superficie dell’orizzonte degli eventi.

Un’altra ipotesi è quella secondo la quale alcuni effetti quantistici impedirebbero ai

buchi neri di formarsi generando le cosiddette stelle nere; questi corpi avrebbero una

densità molto elevata, di conseguenza la luce emessa subirebbe una notevole perdita di

energia rendendo difficile l’osservazione di queste stelle; nonostante ciò le stelle nere

non hanno un orizzonte degli eventi e la radiazione che emettono contiene informazioni.

L’ultima modifica del teorema dell’essenzialità ci è giunta il 24 gennaio 2014 in un

articolo pubblicato su Nature dallo stesso Stephen Hawking, nel quale lo scienziato

sostiene che materia e radiazioni possano in realtà sfuggire ai buchi neri.

La notizia ha destato il clamore di tutti in quanto la frase

“non ci sono buchi neri” è stata completamente fraintesa.

Hawking ha semplicemente sostituito il concetto di

orizzonte degli eventi con quello di orizzonte apparente,

quest’ultimo, a differenza del primo, tenderebbe a

sparire di tanto in tanto lasciando il contenuto del buco

nero libero di fuoriuscire.

Il fisico quindi non ha rinnegato l’esistenza di questi

corpi, ma ne ha dato una nuova definizione, negando la

loro capacità di trattenere per sempre ciò che catturano,

Stephen Hawking la citazione completa del discorso dello scienziato è

infatti:

L’assenza di orizzonti degli eventi implica che non ci siano buchi neri, nel senso di

13

condizioni da cui la luce non può sfuggire all’infinito .

Con questa frase giungiamo alla tappa più recente di un discorso iniziato più di due

millenni fa, che ancora non ha visto la sua conclusione e che probabilmente non la vedrà

mai.

È proprio dell’essere umano porsi domande alle quali nessuno può dare una risposta

certa, e continuerà a porsele nei secoli a venire fino a