The black hole-il buco nero

Percorso di studio interdisciplinare di

Tu Bao Tram Sara

Esame di maturità - anno scolastico 2007/2008

Liceo Scientifico Statale Lorenzo Respighi (PC)

Classe 5°C

Indirizzo sperimentale biochimico

Titolo: The Black hole-il buco nero

Materie coinvolte

• Astronomia: il buco nero
• Filosofia: Kant, il concetto di buco nero
• Fisica: caratteristiche del buco nero
• Italiano: le Cosmicomiche di Italo Calvino
• Inglese: Walt Whitman
• Matematica: modelli matematici del buco nero
• Storia: le foibe 1

Quando l'uomo si soffermò a contemplare il cielo, il suo mondo interiore di inquietudini, stupori e paure per una vita aspra e incerta si arricchì di una dimensione nuova, quella della riflessione, dell'esercizio della ragione nella consapevolezza di esistere al centro di qualcosa di arcano ma enormemente bello, che chiamò universo.

"Due cose mi riempiono l'animo di sempre nuovo, crescente stupore e timore reverenziale: i cieli stellati sopra di me e la legge morale dentro di me." (I. Kant)

Porsi delle domande è una delle prime cose da fare, la seconda invece è cercare di arrivare alle risposte senza farsi troppo condizionare dalla società moderna per la quale le risposte sono spesso prettamente commerciali.

Diversi sono gli atteggiamenti dell'uomo dei confronti della scienza… nonostante ciò l'uomo ha sempre cercato di scoprire il più possibile riguardo la sua esistenza, studiando dall'infinitamente piccolo all'infinitamente grande.

For example we can see in Walt Whitman a strong refusal about science as in his “When I heard the learned astronomer” he felt tired and sick:

When I heard the learn'd astronomer,

When the proofs, the figures, were ranged in columns before me,

When I was shown the charts, the diagrams, to add, divide, and measure them, 2

When I sitting heard the learned astronomer where he lectured with much applause in the lecture room,

How soon unaccountable I became tired and sick,

Till rising and gliding out I wander'd off by myself,

In the mystical moist night-air, and from time to time,

Look'd up in perfect silence at the stars

Whitman believes that looking up at the stars teaches us more than listening to a lecture on astronomy: Nature should be appreciated spontaneously.

“When I Heard the Learn’d Astronomer” is chiefly a poem about romanticism, nature, and astronomy. With its sophisticated linguistic devices and its organization that envisions an escape from a confined lecture room to the glory of the night sky, the poem contrasts the limited scientific process with a personal and romantic interaction with the stars. A visionary poem with an intimate and immediate voice, it is a brilliant example of Whitman’s achievement, containing a broad and transcendental vision into a short romantic poem.

Lo spazio e il tempo sono sensazioni antiche che s'accompagnano al primo istinto dell'uomo di sopravvivere alla complessità del mondo fisico. Dalle angustie di una grotta alla vastità dei mari e dei cieli, dai cambiamenti dovuti al moto dei corpi ai continui ricorsi della vita, queste sensazioni hanno da sempre condizionato il nostro modo d'intendere la natura e di sentirci partecipi dei suoi fenomeni.

I problemi se l'universo abbia avuto inizio nel tempo e se sia limitato nello spazio furono esaminati diffusamente dal filosofo Immanuel Kant nella monumentale Critica della ragion pura.

Una certa fama postuma venne a Kant dalla sua ipotesi cosmogonica esposta nel 1755 nell'opera Storia naturale universale e teoria dei cieli, dove propose la teoria del collasso di una nebulosa per spiegare la formazione del Sistema solare. La teoria venne poi ripresa e rielaborata da Laplace ed è diventata nota come ipotesi di Kant-Laplace. Importante è il fatto che si attribuisce a Kant di aver precorso la definizione del concetto di buco nero. Egli affermò: «Se l'attrazione agisce sola, tutte le parti della materia dovrebbero avvicinarsi sempre più, e diminuirebbe lo spazio che occupano le parti unite, di modo che si riunirebbero finalmente in un solo punto matematico». 3

Nel linguaggio quotidiano, il termine "buco nero" è diventato ormai sinonimo di "pozzo senza fondo" o addirittura di "divoratore di mondi", e chiunque ne senta parlare è immediatamente portato a pensare ad una specie di "strappo" nello spazio-tempo, all'interno del quale ogni cosa è destinata a sparire senza lasciare alcuna traccia.

Definizione

In astrofisica si definisce buco nero un corpo celeste estremamente denso, dotato di un'attrazione gravitazionale talmente elevata da non permettere l'allontanamento di alcunché dalla propria superficie. Questa condizione si ottiene quando la velocità di fuga¹ dalla sua superficie è superiore alla velocità della luce.

Un corpo celeste con questa proprietà risulterebbe invisibile e la sua presenza potrebbe essere rilevata solo indirettamente, tramite gli effetti del suo intenso campo gravitazionale. Fino ad oggi sono state raccolte numerose osservazioni astrofisiche che possono essere interpretate (anche se non univocamente) come indicazioni dell'effettiva esistenza di buchi neri nell'Universo.

Il termine “Buco nero” è metaforico all'estremo, perché poche proprietà degli oggetti neri o del vuoto assoluto, si applicano ai buchi neri. 4

Ma vediamo come si forma un buco nero:

Una stella non è altro che una grossa nuvola di idrogeno che, grazie alla gravitazione, tende a condensare fino a quando l'idrogeno fonde trasformandosi in elio. L'attività di fusione genera energia, in massima parte sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, la quale tende a espandere la stella, compensando la gravitazione che, come detto, tende invece a condensarla. Esaurito l'idrogeno come combustibile, comincia la fusione dell'elio ottenuto in precedenza, con un forte aumento dell'energia emessa. Nel ciclo, la nostra stella campione romperà l'equilibrio gravitazione-energia e si espanderà in una gigante rossa.

A questo punto, esaurito anche l'elio, si presenteranno tre possibilità, legate alla massa rimasta alla stella:

1. Sotto 1,2 masse solari, collasserà in una nana bianca, un astro di 5/6000 km di diametro con un'altissima densità, nell'ordine delle tonnellate per cm³; 5
2. Tra 1,2 e 3,5 masse solari, si otterrà una nana bianca con una forza gravitazionale talmente elevata da avere al proprio interno solo neutroni. Saremmo cioè di fronte alle stelle a neutroni;
3. Oltre 3,5 masse solari, la forza gravitazionale non permetterebbe neppure la sopravvivenza dei neutroni e si arriverebbe alla creazione dei buchi neri.

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Ci sono due categorie di buchi neri:

• Buchi neri stellari (di massa tre volte circa quella del Sole)
• Buchi neri galattici (di massa enorme, un milione di miliardi di miliardi di volte quella del Sole; si trovano al centro delle galassie)

Poiché per descrivere un buco nero sono sufficienti tre parametri: massa, momento angolare² e carica elettrica, i modelli matematici derivabili come soluzioni dell'equazione di campo della relatività generale si riconducono a quattro:

Tipologia dei buchi neri

1. Buchi neri di Schwarzschild
   • Caratterizzati solo dalla massa 6
2. Buchi neri di Reissner–Nordstrom
   • Con massa
   • Con carica elettrica
3. Buchi neri di Kerr
   • Con massa
   • Rotanti
4. Buchi neri di Kerr–Newmann o stazionari (modello di buco nero più accreditato)
   • Con massa
   • Rotanti
   • Carica elettrica

Un buco nero è detto stazionario quando la geometria dello spazio-tempo e il campo elettromagnetico da esso generati non variano nel tempo e sono definibili attraverso tre unici parametri (teorema del no-hair): il momento della quantità di moto totale J, la massa M, la carica elettrica q.

I buchi neri sono presenti nel nucleo di molte galassie e derivano talvolta dall'esplosione di una Supernova (le stelle che esplodono in Supernova sono solo quelle che hanno oltre 8 masse solari) e che superino poi il limite di Chandrasekar di 3,5 masse solari.

La densità della stella morente, diventata un buco nero, raggiunge velocemente valori tali da creare un campo gravitazionale talmente intenso da non permettere a nulla di sfuggire alla sua attrazione, neppure alla luce: si ha una curvatura infinita dello spaziotempo, che può far nascere dei cunicoli all'interno di buchi neri in rotazione

hanno così

(Wormhole).