Archivi del giorno: 2 maggio 2008

Oggi tocca dare una mano ad un’amica; Diletta fra un po’ ha la maturità, fa il liceo classico e all’università vuole fare fisica. Insomma, la solidarietà di classe mi induce a scegliere la sua mail per questa puntata di Astronomica. Per cui…

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In effetti mi tocca smentire Vulvia; non è un caso eclatante di razzismo astronomico, ma proprio di oggetti che non si fan vedere. Un buco nero è infatti un oggetto densissimo, che, detto volgarmente, attrae tutto, luce compresa, e non la fa uscire.
Per capire meglio questa spiegazione, occorre rispolverare alcune cose che già vi ho detto nelle precedenti puntate (nell’ultima, nello specifico). Forse ricorderete che la forza di gravità, grazie alla quale qui sulla terra gli oggetti vengono attirati verso il basso, ha la seguente forma matematica

Come vedete, la sua intensità aumenta all’aumentare della massa dei due oggetti che si attraggono, e diminuisce con la distanza (col quadrato della distanza, nello specifico). Quindi, posiamo derivarne che un buco nero ha sicuramente molta massa, e un piccolo raggio, ossia è un oggetto molto denso. In particolare, secondo la teoria un buco nero ha raggio nullo. Ebbe sì, è un punto geometrico, ossia non ha dimensioni. Un buco nero, per esempio, è un oggetto con la massa della terra, ma tutta concentrata in un punto. Lo so, sembra un assurdo fisico. È questo l’aspetto divertente della fisica e dell’astrofisica, la quantità di paradossi che si producono quando si portano all’estremo le leggi fisiche.Cerchiamo di capire perché in teoria un buco nero può essere un punto geometrico.
Partiamo dalle stelle. Cos’è una stella? Una stella è una palla di gas incandescente. Al suo interno avvengono reazioni di fusione nucleare; atomi di una determinata specie chimica (il più delle volte idrogeno) si fondono a formare una specie chimica più complessa (il più delle volte elio). Volgarmente parlando, è come se all’interno della stella avvenissero continuamente immani esplosioni, che tendono a far espandere la stessa, a disgregarla. Ma le stelle sono palle in equilibrio, quindi questa forza di espansione deve essere bloccata da qualche altra forza uguale e contraria: trattasi della gravità. Le molecole di cui è composta la stella si attraggono tra loro, e tendono a far rimpicciolie, collassare la stella. Donc, nelle stelle dunque si confrontano due forze contrastanti: la pressione di radiazione generata dalle reazioni termonucleari che fanno splendere la stella e la forza di gravità che ha origine nella massa stessa della stella.
Ora, le stelle hanno un loro ciclo vitale: si accendono, brillano per un po’, poi si spengono. La cosa è abbastanza ovvia a capirsi: una stella è fatta di gas, che progressivamente consuma per trasformarlo in un gas diverso. Per forza di cose, ad un certo punto il carburante finisce, e la stella “si spegne”. Questo vuol dire che l’equilibrio di cui vi dicevo prima si interrompe: la pressione di radiazione non contrasta più la forza di gravità. E dunque? E dunque la stella collassa, rimpicciolisce. Ora, ci sono svariati fenomeni che possono fermare il collasso, e che portano alla formazione rispettivamente delle nane bianche e delle stelle di neutroni. Ve ne parlerò probabilmente in futuro. Ma tutti questi fenomeni funzionano solo fino ad un certo valore di massa. Quando la massa è troppa, la forza di gravità non può essere fermata da nulla: se nulla ferma la forza di gravità, il collasso concentra tutta la massa in un punto: voilà.
Questa storia del punto geometrico è comunque la teoria. Non è necessario avere densità infinita per essere un buco nero. Basta avere una densità tale da far sì che la velocità di fuga sia maggiore di quella della luce. Per i più distratti, la velocità di fuga è la velocità che un oggetto deve avere per riuscire a sfuggire alla forza di gravità di un corpo. Ad esempio, sulla terra la velocità di fuga è di 11 km/s, ed è esattamente la velocità che un razzo deve raggiungere per essere sparato nello spazio. Proprio in questo risiede l’origine della “oscurità” di un buco nero. Se la velocità di fuga è superiore a quella della luce, neppure la luce può uscire da un buco nero. Quindi, il buco nero non emette. Ne deriva che un buco nero “non si vede”. Interessante, vero? Stiamo parlando di un oggetto che non possiamo vedere per definizione. Ma allora come sappiamo che esiste?Esistono prove indirette. Non univoche, in verità, ma ormai ai buchi neri ci credono proprio tutti. La più carina la vidi durante un documentario che mi cambiò la vita; avrò avuto un dieci anni, e con mio padre beccammo su un canale astruso un bel documentario sulla vita e le opere di Stephen Hawking. Beh, ovviamente si parlava di buchi neri. E si faceva il seguente esempio: immaginiamo una sala buia, piena di ballerini. Le donne sono vestite di bianco, gli uomini rigorosamente di nero. Ogni coppia è ovviamente costituita da una dama bianca e un uomo nero. Il risultato? Vedremo soltanto le dame volteggiare abbracciate al nulla; il buio ci impedirà di vedere i cavalieri. Coi buchi neri avviene la stessa cosa. Non emettono luce, ma generano un campo gravitazionale, e quindi le stelle intorno, se sono vicine, risentono di questo campo gravitazione, e “ruotano intorno al nulla”. È una delle prove che al centro della nostra galassia c’è un buco nero supermassivo. Si vede proprio questo

Le stelle ruotano attorno al disegno della stellina, dove fisicamente non vediamo nulla. Per inciso, fu probabilmente quel documentario a farmi appassionare all’astrofisica.Ci sono anche altre prove dell’esistenza dei buchi neri. A causa del forte campo gravitazionale, i buchi neri mangiano un sacco di materia. Questa cade su di essi formando enormi ciambelle. Ecco, noi vediamo l’emissione di queste ciambelle, che è caratteristica. Diciamo che è il canto del cigno della materia che sta per svanire all’interno del buco nero.Chiarito più o meno cosa è un buco nero, passiamo a considerare come si forma. In verità ve l’ho già detto: nasce da stelle molto grandi che si spengono. Quando finisce il carburante, la stella si contrae, esplode producendo una cosiddetta supernova e infine produce un buco nero. Voilà. Questo non vale per i buchi neri supermassivi cantati dai Muse in una celebre canzone, e persino da Elio e Le Storie Tese di recente. Questi sono oggetti dotati di masse enormi, milioni o miliardi di volte superiori a quella del Sole. Questi oggetti si trovano spesso al centro delle galassie (al centro della nostra, ad esempio). Si sono formati o durante il Big Bang (la grossa esplosione da cui si è originato il nostro universo) o per accrescimento su una stella, ossia una qualsiasi stella ha iniziato a “mangiare” materia fino a diventare un buco nero. Quando uno dice l’eccessiva golosità.
Esistono svariati paradossi interessanti circa i buchi neri. Ve ne dico alcuni divertenti:
- la triste storia dell’astronauta spaghetto: come ricorderete, la forza di gravità varia con l’inverso del quadrato della distanza. Questo vuol dire che se sto a 5 metri da un corpo sento una certa forza, se sto a 20 metri ne sento una molto minore. Ora, immaginate un astronauta incauto alto 1,80 m che si avvicina ad un buco nero. Diciamo che i suoi piedi sono a 5 m dal buco nero. Essi sentiranno una certa forza. La sua testa si trova a 5 + 1,80 = 6.80 m dal buco nero, e quindi sentiranno una forza inferiore. In un buco nero, questa differenza è enorme; il risultato è che il povero astronauta viene “stirato” e si trasforma in uno spaghetto. Si chiama forza mareale
- quando il tempo non passa mai: prendiamo ancora il nostro sventurato astronauta. Egli precipita verso il buco nero, e lo fa aumentando sempre di più la propria velocità. Ora, secondo la relatività generale di Einstein, quanto più si va veloci, tanto più lentamente il tempo scorre. Dal punto di vista di chi sta fermo, il tempo dell’astronauta rallenterebbe sempre di più e si fermerebbe non appena questo toccasse l’orizzonte degli eventi, che è il limite ultimo oltre il quale nulla può più tornare indietro dal buco nero. L’ultimo istante dell’astronauta prima di essere perduto, insomma, sarebbe eterno. L’astronauta però non si accorgerebbe di questo rallentamento; per lui, tutto scorrerebbe alla solita velocità
- black & white: quei matti dei fisici teorici hanno postulato l’esistenza di oggetti antitetici ai buchi neri, che, con enorme sforzo di fantasia, hanno chiamato buchi bianchi. Si tratterebbe di oggetti che emettono, ma che non assorbono; volgarmente, niente può entrarci dentro. Secondo alcune di queste teorie, a ogni buco nero corrisponderebbe un buco bianco, e entrare in un buco nero permettere di uscire da un buco bianco in una regione dello spazio completamente diversa da quella in cui si è entrati. Sono i wormholes. Insomma, sarebbe un modo interessante per muoversi di qua e di là nello spazio. Un modo interessante e meramente speculativo; al momento non c’è alcuna prova dell’esistenza dei buchi bianchi. Ma noi appassionati di Lost, a queste cose ci pensiamo spesso Infine, non siamo sicuri che in un buco nero valgano le stesse leggi fisiche dell’esterno. Un buco nero resta un oggetto misterioso, di cui sappiamo poco, e che per certi versi sconvolge un po’ il nostro modo di vedere il mondo.
Chiudo nel più classico e inevitabile dei modi…

Bibliografia
http://ottavonano.altervista.org/vulvia.htm
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero
http://it.wikipedia.org/wiki/Forza_di_gravità
http://www.somewhereville.com/?p=100
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero_supermassiccio
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_bianco