Come ci si sente a cadere in un buco nero rotante? È impossibile osservarlo, ma puoi calcolarlo … La domanda è estremamente interessante e la scienza è in grado di rispondere, perché le proprietà dei buchi neri sono note, scrive Forbes. Il dottore in astrofisica ha parlato con molte persone che hanno fatto tali calcoli e ha fretta di parlare dei risultati estremamente interessanti, supportati da una serie di visualizzazioni.
Ci sono molti modi terribili in cui l'universo può distruggere qualcosa. Nello spazio, se provi a trattenere il respiro, i tuoi polmoni esploderanno. E se espiri tutta l'aria fino all'ultima molecola, dopo un paio di secondi, spegni. In alcuni punti dell'universo, ti trasformerai in ghiaccio quando il calore lascia il tuo corpo; in altri posti è così caldo che i tuoi atomi si trasformeranno in plasma. Ma se considero come l'universo possa sbarazzarsi di me (o di te), non riesco a immaginare uno spettacolo più affascinante che entrare in un buco nero. Lo scienziato Heino Falcke, che sta lavorando al progetto Event Horizon Telescope, è della stessa opinione. Sta chiedendo:
Come ci si sente a cadere in un buco nero rotante? È impossibile osservarlo, ma è possibile calcolare … Ho parlato con molte persone che hanno fatto questi calcoli, ma sto invecchiando e comincio a dimenticare molto.
Questa domanda è estremamente interessante e la scienza è in grado di rispondere. Chiediamolo a lei.
Secondo la nostra teoria della gravitazione, la teoria della relatività generale di Einstein, ci sono solo tre caratteristiche che determinano le proprietà di un buco nero. Eccoli:
1. Massa, o la quantità totale di materia e la corrispondente quantità di energia (calcolata dalla formula E = mc2), che è stata spesa per la formazione e la crescita del buco nero nel suo stato attuale.
2. La carica, o la carica elettrica totale che sorge in un buco nero da tutti gli oggetti caricati positivamente e negativamente che vi cadono durante la sua esistenza.
3. Il momento angolare, o momento rotazionale, che misura la quantità totale di movimento rotatorio di un buco nero.
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Realisticamente, tutti i buchi neri nell'Universo devono avere una grande massa, una coppia significativa e una carica trascurabile. Questo complica molto le cose.
Pensando a un buco nero, lo rappresentiamo in una forma semplificata, caratterizzante solo dalla massa. Ha un orizzonte degli eventi attorno a un singolo punto (singolarità), nonché un'area circostante questo punto, da cui la luce non può sfuggire. Quest'area ha la forma di una sfera perfetta e un confine che separa le aree che possono emettere luce e quelle che non lo fanno. Questo confine è l'orizzonte degli eventi. L'orizzonte degli eventi si trova a una distanza molto specifica ed uguale (raggio di Schwarzschild) dalla singolarità in tutte le direzioni.
Questa è una descrizione semplificata di un vero buco nero. Ma è meglio iniziare con fenomeni fisici che si verificano in due luoghi specifici: al di fuori dell'orizzonte degli eventi e all'interno dell'orizzonte degli eventi.
Al di là dell'orizzonte degli eventi, la gravità si comporta come al solito. Lo spazio è curvato dalla presenza di questa massa, dando a tutti gli oggetti nell'universo un'accelerazione nella direzione della singolarità centrale. Se partiamo da una grande distanza dal buco nero a riposo e lasciamo che l'oggetto vi cada dentro, cosa vediamo?
Supponiamo di essere in grado di rimanere fermi. In questo caso, vedremo come l'oggetto si allontana lentamente ma con accelerazione, spostandosi verso questo buco nero. Accelera verso l'orizzonte degli eventi mantenendo il suo colore. Ma poi succede qualcosa di strano. L'oggetto sembra rallentare, svanire e sfocarsi, quindi diventa sempre più rosso. Ma non scompare completamente. Sembra invece avvicinarsi a questo stato di scomparsa: diventa meno distinto, più rosso, ed è sempre più difficile individuarlo. L'orizzonte degli eventi è come l'asintoto della luce di un oggetto: possiamo sempre vederlo se guardiamo da vicino.
Ora immagina lo stesso scenario, ma questa volta non osserveremo un oggetto che cade in un buco nero da lontano. Ci immagineremo al posto di un oggetto che cade. E in questo caso, le nostre sensazioni saranno completamente diverse.
L'orizzonte degli eventi cresce molto più velocemente mentre lo spazio si deforma di quanto ci aspettassimo. Lo spazio è così curvo attorno all'orizzonte degli eventi che iniziamo a vedere numerose immagini dell'universo esterno, come se fosse riflesso e capovolto.
E quando attraversiamo l'orizzonte degli eventi e entriamo, vediamo non solo l'universo esterno, ma parte di esso all'interno dell'orizzonte degli eventi. La luce che riceviamo si sposta nella parte viola dello spettro, quindi di nuovo nel rosso, e cadiamo inevitabilmente nella singolarità. Negli ultimi istanti, lo spazio esterno sembra stranamente piatto.
Il quadro fisico di questo fenomeno è complesso, ma i calcoli sono abbastanza semplici e diretti, e sono stati brillantemente eseguiti in una serie di articoli scientifici scritti nel 2000-2010 da Andrew Hamilton dell'Università del Colorado. Hamilton ha anche creato una serie di visualizzazioni vivide di ciò che vediamo quando cadiamo in un buco nero in base ai suoi calcoli.
Ci sono molte lezioni da imparare da questi risultati e molte di esse sono controintuitive. Cercare di capirli ci aiuterà a cambiare le nostre percezioni visive dello spazio. Di solito immaginiamo lo spazio come una sorta di struttura immobile e pensiamo che l'osservatore sia caduto da qualche parte al suo interno. Tuttavia, nell'orizzonte degli eventi, siamo costantemente in movimento. Tutto lo spazio è essenzialmente in movimento come un nastro trasportatore. Si muove costantemente, muovendo ogni cosa al suo interno nella direzione della singolarità.
Muove tutto così velocemente che anche se iniziamo ad accelerare allontanandoci dalla singolarità, avendo una quantità infinita di forza, cadremo comunque verso il centro. La luce degli oggetti al di fuori dell'orizzonte degli eventi ci raggiungerà comunque da tutte le direzioni, ma noi, essendo all'interno dell'orizzonte degli eventi, saremo in grado di vedere solo una parte di questi oggetti.
La linea che definisce il confine tra ciò che l'osservatore vede è chiamata cardioduro in matematica. La componente del raggio più grande del cardioide tocca l'orizzonte degli eventi e la componente del raggio più piccolo termina alla singolarità. Ciò significa che sebbene la singolarità sia un punto, non collega inevitabilmente ciò che accade con tutto il resto. Se tu ed io andiamo simultaneamente ai lati opposti dell'orizzonte degli eventi, dopo averlo attraversato, non saremo più in grado di vederci.
La ragione di ciò è nella struttura dell'Universo stesso, che è costantemente in movimento. All'interno dell'orizzonte degli eventi, lo spazio viaggia più velocemente della luce e quindi nulla può andare oltre il buco nero. Per lo stesso motivo, mentre siamo all'interno di un buco nero, iniziamo a vedere cose strane, ad esempio molte immagini dello stesso oggetto.
Puoi capirlo ponendo la seguente domanda: "Dov'è la singolarità?"
Essendo all'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, noi, avendo iniziato a muoverci in qualsiasi direzione, finiremo per seppellirci in una singolarità. È incredibile, ma la singolarità appare in tutte le direzioni! Se muovi i piedi in avanti e acceleri, vedrai i tuoi piedi sotto e sopra di te allo stesso tempo. Tutto questo è abbastanza facile da calcolare, anche se un'immagine del genere sembra essere un paradosso sorprendente. Nel frattempo, stiamo considerando solo un caso semplificato: un buco nero che non ruota.
La prima fotografia di un buco nero e del suo alone infuocato.
Ora passiamo alla cosa più divertente in termini di fisica e guardiamo un buco nero che sta ruotando. I buchi neri devono la loro origine a sistemi di materia, come le stelle, che ruotano costantemente a una velocità o all'altra. Nel nostro universo (e nella relatività generale), la coppia è una proprietà conservata di qualsiasi sistema chiuso e non c'è modo di sbarazzarsene. Quando l'aggregato di materia si restringe a un raggio inferiore al raggio dell'orizzonte degli eventi, il momento rotazionale, come la massa, viene intrappolato e intrappolato all'interno.
La soluzione è molto più complicata qui. Einstein presentò la sua teoria della relatività nel 1915 e Karl Schwarzschild ottenne la soluzione per un buco nero non rotante all'inizio del 1916, cioè un paio di mesi dopo. Ma il passo successivo nella modellazione realistica di questo problema - dato che un buco nero non ha solo massa ma anche coppia - fu compiuto solo nel 1963 da Roy Kerr, che trovò una soluzione.
Ci sono alcune differenze fondamentali e importanti tra la soluzione un po 'ingenua e semplice di Schwarzschild e la soluzione più realistica e complessa di Kerr. Ecco alcune differenze sorprendenti:
1. Invece di una singola soluzione alla domanda su dove sia l'orizzonte degli eventi, un buco nero rotante ha due soluzioni matematiche: un orizzonte degli eventi interno ed esterno.
2. Al di là dell'orizzonte degli eventi esterno, c'è un luogo noto come ergosfera, dove lo spazio stesso si muove a una velocità angolare pari a quella della luce e le particelle che vi entrano ricevono un'accelerazione colossale.
3. Esiste un rapporto coppia / massa massimo consentito. Se il valore della coppia è troppo grande, il buco nero emette questa energia (attraverso la radiazione gravitazionale) fino a quando il rapporto non torna alla normalità.
4. E la cosa più sorprendente è che la singolarità al centro del buco nero non è più un punto, ma piuttosto un anello unidimensionale, dove il raggio dell'anello è determinato dalla massa e dal momento rotazionale del buco nero.
Sapendo tutto questo, possiamo capire cosa succede quando entriamo in un buco nero rotante? Sì, lo stesso che entrare in un buco nero non rotante, tranne che lo spazio non si comporta come se stesse cadendo in una singolarità centrale. Lo spazio si comporta come se venisse tirato attorno alla circonferenza nella direzione di rotazione. Sembra un vortice. Maggiore è il rapporto tra movimento rotatorio e massa, più veloce è la rotazione.
Ciò significa che se vediamo qualcosa cadere verso l'interno, noteremo come questo qualcosa diventa rosso e gradualmente scompare, ma non solo. È compresso e si trasforma in un anello o disco nel senso di rotazione. Se entriamo, saremo circondati come su una giostra folle, risucchiati al centro. E quando raggiungiamo la singolarità, sarà sotto forma di un anello. Diverse parti del nostro corpo cadranno in una singolarità sull'ergosuperficie interna del buco nero di Kerr in diverse coordinate spaziali. Man mano che ci avviciniamo alla singolarità dall'interno dell'orizzonte degli eventi, perderemo gradualmente la capacità di vedere altre parti del nostro corpo.
L'informazione più importante da trarre da tutto ciò è che la struttura stessa dello spazio è in movimento; e l'orizzonte degli eventi è definito come il luogo in cui tu, anche con la capacità di viaggiare al limite della velocità cosmica più alta, che è la velocità della luce, e in qualsiasi direzione, incapperai sempre in una singolarità.
Le visualizzazioni di Andrew Hamilton sono le simulazioni migliori e scientificamente accurate di ciò che accade quando si colpisce un buco nero. Sono così controintuitivi e così paradossali che posso solo consigliarti una cosa: guardali ancora e ancora finché non ti illudi pensando di capirli. Questo è uno spettacolo meraviglioso e fantastico. E se lo spirito di avventurismo in te è così forte che decidi di entrare in un buco nero e di entrare nell'orizzonte degli eventi, questa sarà l'ultima cosa che vedrai!
Ethan Siegel
