.
.

Sfondo immagine

Buchi neri

Introduzione

Iniziamo con la definizione che riporta Wikipedia:

“Nella relatività generale, si definisce buco nero una regione dello spaziotempo con un campo gravitazionale così forte e intenso che nulla al suo interno può sfuggire all'esterno, nemmeno la luce.”


E questa definizione rispecchia quello che in genere si crede sia un Buco nero.

In realtà questa definizione è molto fuorviante, tanto da farci credere cose che non sempre sono vere (come l’estrema forza del campo gravitazionale).

Per avere un’idea corretta, bisogna parlare di altre due cose: la “Velocità di fuga” e del “Raggio di Schwarzschild”.

Velocità di fuga

Al solito, iniziamo con la definizione che riporta Wikipedia:

“La velocità di fuga, o anche seconda velocità cosmica, è la velocità minima iniziale a cui un oggetto (senza ulteriore propulsione) deve muoversi per potersi allontanare indefinitamente da una sorgente di campo gravitazionale, senza considerare altri fattori come l'attrito”


Quindi, la velocità di fuga è diversa a seconda della posizione di partenza. In genere, quando si parla di pianeti e stelle, la posizione di partenza viene posta sulla superficie dell’astro.

Per esempio: la velocità di fuga della Terra, partendo dalla sua superficie, è di circa 11,2 km/s. Questo significa che, un oggetto lanciato a velocità superiore, sfuggirebbe definitivamente dal campo gravitazionale terrestre (non è detto che riesca a sfuggire dal sistema solare); mentre un oggetto lanciato a velocità inferiori, si allontanerebbe un po’ dalla Terra ma, per poi ricaderci sulla superficie.

Raggio di Schwarzschild / Orizzonte degli eventi

Al solito, iniziamo con la definizione che riporta Wikipedia:

“Il raggio di Schwarzschild o raggio gravitazionale è un raggio caratteristico associato a ogni massa. Il termine è utilizzato in fisica e astronomia (soprattutto nei campi della teoria della gravitazione e della relatività generale) per designare la distanza dal centro della distribuzione di massa a simmetria sferica […], alla quale si trova, secondo la relatività generale, l'orizzonte degli eventi.”


Il Raggio di Schwarzschild è la distanza dal centro della massa, dalla quale, la velocità di fuga determina se quell’oggetto ricadrà verso la massa centrale, oppure gli sfuggirà definitivamente.

Considerazioni sull’orizzonte degli eventi

Sezione di un buco nero.

Visto che la velocità di fuga dipende sia dalla massa, che dalla posizione iniziale da cui si lancia; l’orizzonte degli eventi dipende anch’esso da dove viene lanciato l’oggetto.

Quindi, non è una posizione specifica nello spazio, ma è una corona circolare (se la proiettiamo in un piano), o corona sferica (se la guardiamo in 3D) attorno alla massa, che dipende dalla posizione di lancio. La dimensione dello spessore della corona cresce al crescere del buco nero, più grande è il buco nero e più spesso è l’orizzonte degli eventi.

Spettro elettromagnetico

Se consideriamo lo spettro del visibile, noi sappiamo che le radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza (Viola, blu) hanno un’energia superiore di quelle a frequenze inferiori (giallo, rosso).

Una radiazione elettromagnetica se perde energia, passa dalle frequenze più alte e colori viola/blu a frequenze inferiori tipo giallo o Rosso.

Prendiamo le radiazioni elettromagnetiche emesse da dei corpi che stanno cadendo verso il centro del buco nero; avremo i seguenti casi, partendo dalle zone interne:

  1. Le radiazioni emesse nelle zone più interne, perdono totalmente la loro energia e quindi non arrivano all’esterno, questa zona dovrebbe essere nera;
  2. Le radiazioni emesse un po’ più all’esterno, perdono una parte dell’energia e quindi riescono ad uscire di colore rosso;
  3. Quelle emesse nelle zone ancora più esterne, perdono solo una piccola parte di energia e il loro colore è sul giallo.

Essendo un Buco nero una sfera tridimensionale, la luce che percepiamo è principalmente quella emessa dalle radiazioni più esterne.

Difatti la vera rappresentazione di un buco nero, non è quella a sinistra, ma quella a destra (nel caso ci siano gas all'esterno), in cui, la materia che cade verso il centro, emette energia luminosa (radiazioni elettromagnetiche) bianche o gialle; ed essendo emesse dalla corona sferica tutta intorno al buco nero, esso appare luminoso come una stella!

Caratteristiche dei buchi neri

I buchi neri (masse con velocità di fuga pari alla velocità della luce) hanno una caratteristica particolare: mentre la loro massa (M) cresce linearmente con il loro raggio (R):
il volume (V) cresce direttamente proporzionale al cubo del raggio (R)

questo significa che: i buchi neri iper-giganti hanno una densità di materia bassa.

Vediamo come variano le varie grandezze all’aumento della Massa di un buco nero.

Adesso prendiamo i dati reali dell’intero Universo:

Guardando l’ultima riga della Tab.1, si vede che: un buco nero che abbia la massa uguale a quella dell’intero Universo, avrebbe la stessa densità dell’Universo attuale.

La radiazione di fondo ci potrà dire qualcosa su cosa c'è all'esterno dell'Universo?

Come le radiazioni escono da un buco nero

La velocità di fuga con la quale si è definito un buco nero, è l'energia cinetica minima tramite la quale un corpo sfugge al campo gravitazionale di una data massa.

Come fanno i razzi a entrare in orbita visto che non hanno una velocità iniziale superiore a 11,2 km/s?

Semplice: l'energia necessaria non viene solo dalla velocità iniziale, ma viene generata a scapito dell'energia (chimica) interna.
Quindi, qualsiasi oggetto che abbia sufficiente energia di propulsione, indipendentemente dalla sua velocità iniziale, può sfuggire al campo gravitazionale di una massa!

Le radiazioni elettromagnetiche (luce) non hanno tutte la stessa energia.
Basta prendere una radiazione che abbia sufficiente energia (raggi X o gamma) per poterla fare uscire da un buco nero.

La radiazione esce dal buco nero a scapito della sua energia interna, tanto è vero che la sua lunghezza d'onda aumenta, diminuendo la sua energia.
Non è nuovo che i buchi neri emettano onde radio, radiazioni elettromagnetiche che al momento dell'emissione erano molto più energetiche.

Come guardare dentro un buco nero?

Per guardare dentro un buco nero, non avendo radiazioni con sufficiente energia a disposizione, basta utilizzare un metodo simile alla staffetta.

Una serie di satelliti aritificiali si avvicinano, in fila, a un buco nero.

Il satellite più vicino al buco, riprende il contenuto del buco nero e lo trasmette al satellite dietro di lui e così via gli altri satelliti.

Passandosi il segnale e rigenerandolo ogni volta per ripristinarne l'energia.

La singola radiazione emessa dal primo satellite, non avrebbe abbastanza energia per uscire dal buco nero, ma rigenerando il segnale ogni volta che passa da un satellite all'altro, è possibile farlo uscire da esso dal buco nero.

Conclusione

  1. Universo - Buco nero
    L'Universo ha le stesse dimensioni di un Buco nero di pari grandezza.
  2. La radiazione di fondo...
    E' energia che arriva dall'esterno dell'Universo?
  3. Staffetta con i satelliti
    E possibile riprendere il contenuto di un buco nero e trasmetterlo all'esterno utilizzando una serie di satelliti in sequenza.
  4. Radiazioni emesse dai buchi neri
    Radiazioni elettromagnetiche molto energetiche, come i raggi X o gamma, hanno sufficiente energia per uscire dal buco nero.
    Riescono ad uscire a spese della loro energia interna, aumentando la loro lunghezza d'onda.

By Alessandro Pulvirenti (29/10/2018)