I buchi neri sono forse gli oggetti più misteriosi dell'universo. A meno che, ovviamente, le cose non siano nascoste da qualche parte nel profondo, la cui esistenza non sappiamo e non possiamo sapere, il che è improbabile. I buchi neri sono massa e densità colossali, compresse in un punto di un piccolo raggio. Le proprietà fisiche di questi oggetti sono così strane che lasciano perplessi i fisici e gli astrofisici più sofisticati. Sabine Hossfender, una fisica teorica, ha compilato una selezione di dieci fatti sui buchi neri che tutti dovrebbero conoscere.
Cos'è un buco nero?
La proprietà che definisce un buco nero è il suo orizzonte. Questo è un confine oltre il quale niente, nemmeno la luce, può tornare. Se un'area distaccata si distacca per sempre, stiamo parlando di un "orizzonte degli eventi". Se è separato solo temporaneamente, si parla di "orizzonte visibile". Ma questo "temporaneo" potrebbe anche significare che la regione sarà separata per molto più tempo dell'attuale età dell'universo. Se l'orizzonte del buco nero è temporaneo ma longevo, la differenza tra il primo e il secondo è sfocata.
Quanto sono grandi i buchi neri?
Puoi immaginare l'orizzonte di un buco nero come una sfera e il suo diametro sarà direttamente proporzionale alla massa del buco nero. Pertanto, più massa cade nel buco nero, più grande diventa il buco nero. Rispetto agli oggetti stellari, tuttavia, i buchi neri sono minuscoli, perché la massa viene compressa in volumi molto piccoli sotto l'influenza di una schiacciante pressione gravitazionale. Il raggio di un buco nero con una massa del pianeta Terra, ad esempio, è solo di pochi millimetri. Questo è 10.000.000.000 di volte inferiore al raggio attuale della Terra.
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Il raggio del buco nero è chiamato raggio di Schwarzschild da Karl Schwarzschild, che per primo ha dedotto i buchi neri come soluzione alla teoria della relatività generale di Einstein.
Cosa sta succedendo all'orizzonte?
Quando attraversi l'orizzonte, non accade nulla di speciale intorno a te. Tutto a causa del principio di equivalenza di Einstein, da cui segue che non è possibile trovare la differenza tra l'accelerazione nello spazio piatto e il campo gravitazionale che crea la curvatura dello spazio. Tuttavia, un osservatore lontano dal buco nero che sta guardando qualcun altro cadere in esso noterà che la persona si muoverà sempre più lentamente, avvicinandosi all'orizzonte. Come se il tempo si muovesse più lentamente vicino all'orizzonte degli eventi che lontano dall'orizzonte. Tuttavia, passerà del tempo e l'osservatore che cade nel buco attraverserà l'orizzonte degli eventi e si troverà all'interno del raggio di Schwarzschild.
Ciò che si sperimenta all'orizzonte dipende dalle forze di marea del campo gravitazionale. Le forze di marea all'orizzonte sono inversamente proporzionali al quadrato della massa del buco nero. Ciò significa che più grande e massiccio è il buco nero, minore è la forza. E se solo il buco nero è abbastanza massiccio, puoi attraversare l'orizzonte prima ancora di accorgerti che sta accadendo qualcosa. L'effetto di queste forze di marea ti allungherà: il termine tecnico che i fisici usano per questo è spaghettificazione.
Agli albori della relatività generale, si credeva che ci fosse una singolarità all'orizzonte, ma si è scoperto che non era così.
Cosa c'è dentro un buco nero?
Nessuno lo sa con certezza, ma sicuramente non la libreria. La relatività generale predice che in un buco nero c'è una singolarità, un luogo in cui le forze di marea diventano infinitamente grandi, e una volta superato l'orizzonte degli eventi, non puoi andare da nessun'altra parte se non nella singolarità. Di conseguenza, è meglio non usare la relatività generale in questi luoghi: semplicemente non funziona. Per capire cosa succede all'interno di un buco nero, abbiamo bisogno di una teoria della gravità quantistica. È generalmente accettato che questa teoria sostituirà la singolarità con qualcos'altro.
Come si formano i buchi neri?
Attualmente conosciamo quattro modi diversi in cui si formano i buchi neri. La migliore comprensione è associata al collasso stellare. Una stella abbastanza grande forma un buco nero dopo che la sua fusione nucleare si ferma, perché tutto ciò che potrebbe già essere sintetizzato è stato sintetizzato. Quando la pressione creata dalla fusione cessa, la materia inizia a cadere verso il proprio centro gravitazionale, diventando sempre più densa. Alla fine, diventa così denso che nulla può superare l'effetto gravitazionale sulla superficie della stella: è così che nasce un buco nero. Questi buchi neri sono chiamati "buchi neri di massa solare" e sono i più comuni.
Il prossimo tipo comune di buco nero è il "buco nero supermassiccio", che può essere trovato al centro di molte galassie e che ha una massa circa un miliardo di volte quella dei buchi neri solari. Non è ancora noto con certezza come si formino esattamente. Si ritiene che una volta siano nati come buchi neri di massa solare, che in centri galattici densamente popolati hanno consumato molte altre stelle e sono cresciuti. Tuttavia, sembrano assorbire la materia più velocemente di quanto questa semplice idea suggerisca, e il modo in cui lo fanno esattamente è ancora oggetto di ricerca.
Un'idea più controversa era quella dei buchi neri primordiali, che avrebbero potuto essere formati da quasi tutte le masse in grandi fluttuazioni di densità nell'universo primordiale. Sebbene sia possibile, è difficile trovare un modello che li produca senza crearli eccessivamente.
Infine, c'è l'idea molto speculativa che minuscoli buchi neri con masse vicine a quella del bosone di Higgs potrebbero formarsi al Large Hadron Collider. Funziona solo se il nostro universo ha dimensioni extra. Finora non ci sono state conferme a favore di questa teoria.
Come sappiamo che esistono i buchi neri?
Abbiamo molte prove osservative per oggetti compatti con grandi masse che non emettono luce. Questi oggetti si tradiscono per attrazione gravitazionale, ad esempio, a causa del movimento di altre stelle o nuvole di gas intorno a loro. Creano anche lenti gravitazionali. Sappiamo che questi oggetti non hanno una superficie solida. Ciò deriva dalle osservazioni, perché la materia che cade su un oggetto con una superficie dovrebbe causare il rilascio di più particelle rispetto alla materia che cade attraverso l'orizzonte.
Perché l'anno scorso Hawking ha detto che i buchi neri non esistono?
Voleva dire che i buchi neri non hanno un orizzonte degli eventi eterno, ma solo un orizzonte apparente temporaneo (vedi paragrafo uno). In senso stretto, solo l'orizzonte degli eventi è considerato un buco nero.
In che modo i buchi neri emettono radiazioni?
I buchi neri emettono radiazioni a causa di effetti quantistici. È importante notare che questi sono effetti quantistici della materia, non effetti quantistici della gravità. Lo spaziotempo dinamico di un buco nero che collassa cambia la definizione stessa di particella. Come il passare del tempo, che è distorto vicino a un buco nero, il concetto di particelle è troppo dipendente dall'osservatore. In particolare, quando un osservatore che cade in un buco nero pensa di stare cadendo nel vuoto, un osservatore lontano dal buco nero pensa che questo non sia un vuoto, ma uno spazio pieno di particelle. È l'allungamento dello spazio-tempo che causa questo effetto.
Scoperta per la prima volta da Stephen Hawking, la radiazione emessa da un buco nero è chiamata radiazione di Hawking. Questa radiazione ha una temperatura inversamente proporzionale alla massa del buco nero: più piccolo è il buco nero, maggiore è la temperatura. I buchi neri stellari e supermassicci che conosciamo hanno temperature ben al di sotto della temperatura del fondo a microonde e quindi non vengono osservati.
Cos'è un paradosso dell'informazione?
Il paradosso della perdita di informazioni è causato dalle radiazioni di Hawking. Questa radiazione è puramente termica, cioè ha solo una temperatura casuale e di determinate proprietà. La radiazione stessa non contiene alcuna informazione su come si è formato il buco nero. Ma quando un buco nero emette radiazioni, perde massa e si contrae. Tutto questo è del tutto indipendente dalla sostanza che è entrata a far parte del buco nero o da cui si è formato. Si scopre che conoscendo solo lo stato finale di evaporazione, non si può dire da cosa si sia formato il buco nero. Questo processo è "irreversibile" e il problema è che non esiste un processo del genere nella meccanica quantistica.
Si scopre che l'evaporazione di un buco nero è incompatibile con la teoria quantistica che conosciamo e occorre fare qualcosa al riguardo. Elimina l'incoerenza in qualche modo. La maggior parte dei fisici crede che la soluzione sia che le radiazioni di Hawking debbano in qualche modo contenere informazioni.
Cosa suggerisce Hawking per risolvere il paradosso dell'informazione del buco nero?
L'idea è che i buchi neri debbano avere un modo per memorizzare le informazioni che non sono state ancora accettate. Le informazioni vengono memorizzate sull'orizzonte di un buco nero e possono causare piccoli spostamenti di particelle nella radiazione di Hawking. In questi piccoli spostamenti, potrebbero esserci informazioni sulla materia intrappolata. I dettagli esatti di questo processo non sono attualmente chiari. Gli scienziati stanno aspettando un documento tecnico più dettagliato da Stephen Hawking, Malcolm Perry e Andrew Strominger. Dicono che apparirà alla fine di settembre.
Al momento, siamo sicuri che i buchi neri esistano, sappiamo dove si trovano, come si formano e cosa diventeranno alla fine. Ma i dettagli di dove le informazioni vanno a loro rappresentano ancora uno dei più grandi misteri dell'universo.
Ilya Khel
