L'universo distrugge qualcosa in modi diversi. Se provi a trattenere il respiro nello spazio, i tuoi polmoni esploderanno; se invece inspiri ogni molecola d'aria, perderai conoscenza. In alcuni punti, ti congelerai, avendo perso l'ultimo calore corporeo; altri saranno così caldi che gli atomi nel tuo corpo si trasformeranno in plasma. Ma di tutti i modi in cui l'universo si sbarazza degli oggetti, il più divertente è mandarli in un buco nero.
Cosa c'è oltre l'orizzonte degli eventi?
Secondo la nostra teoria della gravità - la teoria della relatività generale di Einstein - le proprietà di un buco nero sono determinate da tre cose. Vale a dire:
- Massa, o la quantità totale di materia e la quantità equivalente di energia (secondo la formula E = mc2), che vanno alla formazione e alla crescita di un buco nero al suo stato attuale.
- Carica, o la carica elettrica totale che esiste in un buco nero da tutti gli oggetti caricati positivamente e negativamente che sono caduti nel buco nero durante l'intera storia della sua vita.
- Momento angolare (momento), o spin, che è una misura della quantità totale di movimento rotatorio che un buco nero ha per natura.
In realtà, tutti i buchi neri che esistono fisicamente nel nostro universo devono avere grandi masse, quantità significative di momento angolare e cariche trascurabili. Ciò rende la situazione estremamente difficile.
Quando di solito immaginiamo un buco nero, immaginiamo una versione semplice di esso, che è descritta solo dalla sua massa. Ha un orizzonte degli eventi che circonda un punto e un'area che circonda quel punto, oltre la quale la luce non può andare. Quest'area è completamente sferica e ha un confine che separa le aree da cui la luce può fuoriuscire e da cui non può: l'orizzonte degli eventi. L'orizzonte degli eventi si trova a una certa distanza (raggio di Schwarzschild) dalla singolarità in tutte le direzioni contemporaneamente.
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Questa è una versione semplificata di un buco nero realistico, ma un ottimo punto di partenza per pensare alla fisica che si svolge in due luoghi diversi: oltre l'orizzonte degli eventi e all'interno dell'orizzonte degli eventi.
Al di fuori dell'orizzonte degli eventi, la gravità si comporta come normalmente ti aspetteresti. Lo spazio si piega in presenza della massa, che fa accelerare ogni oggetto nell'universo verso la singolarità centrale. Se fossi a grande distanza da un buco nero a riposo e lasciassi cadere un oggetto, cosa vedresti?
Supponendo che tu sia riuscito a rimanere fermo, vedrai l'oggetto che cade lentamente accelerare da te verso questo buco nero. Accelererà verso l'orizzonte degli eventi, dopodiché accadrà qualcosa di strano. Ti sembrerà che rallenti, svanisca e diventi più rosso. Ma non scomparirà completamente. Si avvicinerà solo ad esso: diventerà opaco, rosso e più difficile da rilevare. Puoi sempre vederlo se guardi abbastanza da vicino.
Ora immaginiamo lo stesso scenario, ma questa volta immaginiamo di essere lo stesso oggetto che cade in un buco nero. L'esperienza sarà completamente diversa.
L'orizzonte degli eventi diventerà più grande molto più velocemente di quanto ti aspettassi man mano che la curvatura dello spazio diventa più forte. Lo spazio è così curvo attorno all'orizzonte degli eventi che vedrai molte immagini dell'universo, che è dall'esterno, come se fosse riflesso e capovolto.
E una volta attraversato l'orizzonte degli eventi, non solo sarai ancora in grado di vedere l'universo esterno, ma parte dell'universo all'interno dell'orizzonte degli eventi. Negli ultimi istanti, lo spazio apparirà completamente piatto.
Cosa c'è in un buco nero?
La fisica di tutto questo è complessa, ma i calcoli sono abbastanza semplici ed elegantemente eseguiti da Andrew Hamilton dell'Università del Colorado in una serie di articoli della fine degli anni 2000 e dei primi anni 2010. Hamilton ha anche creato una serie di rendering impressionanti di ciò che vedrai cadere in un buco nero sulla base di questi calcoli.
Dopo aver esaminato questi risultati, possiamo trarre una serie di conclusioni, molte delle quali sono illogiche. Per cercare di dar loro un senso, devi cambiare il modo in cui rappresenti lo spazio. Di solito lo pensiamo come un tessuto immobile e pensiamo che l'osservatore stia "discendendo" da qualche parte. Ma all'interno dell'orizzonte degli eventi, sei sempre in movimento. Lo spazio si muove - come un tapis roulant - continuamente, muovendo tutto in sé verso la singolarità.
E muove tutto così velocemente che anche se acceleri direttamente dalla singolarità con forza infinita, cadrai comunque verso il centro. Gli oggetti oltre l'orizzonte degli eventi ti invieranno comunque luce da tutte le direzioni, ma sarai in grado di vedere solo una frazione degli oggetti oltre l'orizzonte degli eventi.
La linea che definisce il confine tra ciò che qualsiasi osservatore può vedere è descritta matematicamente dal cardioide, dove la componente con il raggio più grande tocca l'orizzonte degli eventi e la componente con il raggio più piccolo è alla singolarità. Ciò significa che una singolarità, anche come punto, non collega necessariamente tutto ciò che vi rientra con tutto il resto. Se tu ed io cadiamo nell'orizzonte degli eventi da direzioni diverse contemporaneamente, non vedremo mai la luce l'uno dell'altro dopo che l'orizzonte degli eventi si è incrociato.
La ragione di ciò è il tessuto in costante movimento dell'Universo stesso. All'interno dell'orizzonte degli eventi, lo spazio si muove più velocemente della luce, quindi niente può sfuggire dal buco nero. Ecco perché quando colpisci un buco nero, inizi a vedere cose strane come più immagini dello stesso oggetto.
Puoi capirlo ponendo la domanda: dov'è la singolarità?
Dall'interno dell'orizzonte degli eventi del buco nero, indipendentemente dalla direzione in cui ti muovi, finisci per incontrare la singolarità stessa. Pertanto, stranamente, la singolarità appare in tutte le direzioni. Se le tue gambe puntano nella direzione dell'accelerazione, le vedrai davanti a te, ma anche sopra di te. Tutto questo è facile da calcolare, anche se estremamente illogico. E questo è solo per un caso semplificato: un buco nero non rotante.
Passiamo ora al caso fisicamente interessante: quando il buco nero ruota. I buchi neri devono la loro origine a sistemi di materia - come le stelle - che ruotano sempre a un certo livello. Nel nostro universo (e nella relatività generale), il momento angolare è la quantità racchiusa assoluta per ogni sistema chiuso; non c'è modo di sbarazzarsene. Quando l'aggregato di materia collassa a un raggio inferiore al raggio dell'orizzonte degli eventi, il momento angolare viene intrappolato al suo interno, proprio come la massa.
La soluzione che abbiamo qui sarà molto più complicata. Einstein presentò la relatività generale nel 1915 e Karl Schwarzschild ottenne una soluzione per un buco nero non rotante un paio di mesi dopo, all'inizio del 1916. Ma il passo successivo nella modellazione di questo problema in un modo più realistico - dove il buco nero ha momento angolare, non solo massa - fu compiuto solo nel 1963, quando Roy Kerr trovò la soluzione esatta nel 1963.
Ci sono molte differenze fondamentali e importanti tra la soluzione più ingenua e semplice di Schwarzschild e la soluzione più realistica e complessa di Kerr. Tra loro:
- Invece di una singola decisione su dove si trova l'orizzonte degli eventi, un buco nero rotante ha due soluzioni matematiche: un orizzonte degli eventi interno ed esterno.
- Al di là anche dell'orizzonte degli eventi esterno, c'è un luogo noto come ergosfera, in cui lo spazio stesso si muove a una velocità di rotazione uguale alla velocità della luce, e le particelle in esso subiscono accelerazioni tremende.
- Esiste un rapporto massimo consentito tra momento angolare e massa; se la quantità di moto è troppo forte, il buco nero irradierà questa energia (attraverso la radiazione gravitazionale) fino a quando non scende al limite.
- E la cosa più interessante: la singolarità al centro del buco nero non è più un punto, ma un anello unidimensionale, il cui raggio è determinato dalla massa e dal momento angolare del buco nero.
Con tutto questo in mente, cosa succede quando colpisci un buco nero? Sì, è lo stesso di quello che succede se cadi in un buco nero non rotante, tranne che tutto lo spazio non si comporta come se stesse cadendo verso la singolarità centrale. Lo spazio, invece, si comporta anche come se si muovesse lungo il senso di rotazione, come un imbuto vorticoso. Maggiore è il rapporto tra momento angolare e massa, più velocemente ruota.
Ciò significa che, se vedi qualcosa che cade in un buco nero, vedrai che diventa più scuro e più rosso, ma anche imbrattato in un anello o disco nella direzione di rotazione. Se cadi in un buco nero, verrai fatto girare come una giostra che ti tira verso il centro. E quando raggiungerai la singolarità, sarà un anello; diverse parti del tuo corpo incontreranno una singolarità - sull'ergosuperficie interna del buco nero di Kerr - in differenti coordinate spaziali. Smetterai gradualmente di vedere altre parti del tuo corpo.
La cosa più importante che devi capire da tutto questo è che il tessuto dello spazio stesso è in movimento, e l'orizzonte degli eventi è definito come un luogo in cui anche se ti muovi alla velocità della luce, qualunque direzione tu scelga, inevitabilmente entrerai in collisione con una singolarità.
I rendering di Andrew Hamilton sono i modelli migliori e più accurati di ciò che accade quando cadi in un buco nero, e così illogici che devono essere guardati più e più volte finché non inizi a capire qualcosa (non inizi davvero). È inquietante e bello, e se sei abbastanza avventuroso da volare in un buco nero e attraversare l'orizzonte degli eventi, questa sarà l'ultima cosa che hai mai visto.
Ilya Khel
