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Siamo più vicini alla comprensione dei buchi neri?

I progressi tecnologici hanno aiutato gli astrofisici a saperne di più su come funzionano i buchi neri.

Ci sono voluti 10 anni ad Albert Einstein per trovare le equazioni della relatività generale, ma l’astrofisico tedesco Karl Schwarzschild ha avuto bisogno solo di pochi mesi per risolverle. La soluzione di Schwarzschild descrive la gravità di un oggetto isolato, sferico e immutabile – l’enigmatico buco nero – ma per molti anni non è stata compresa.

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I buchi neri hanno contribuito a spiegare le nuove scoperte astronomiche, diventando ingredienti essenziali dell’astrofisica. La scienza ha considerato i buchi neri come astrazioni fino agli anni ’60. La recente scoperta sperimentale delle onde gravitazionali ha cambiato la nostra comprensione di cosa siano i buchi neri.

Nel 2016, la collaborazione LIGO-Virgo ha rilevato le onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri, aprendo una nuova era dell’astronomia celebrata dal Premio Nobel per la fisica 2017.

Nel 2019, l’Event Horizon Telescope ha rilasciato un’immagine del buco nero supermassiccio nella vicina galassia M87. L’anno successivo, il Premio Nobel per la fisica ha riconosciuto i pionieristici studi teorici sui buchi neri di Roger Penrose e quelli osservazionali di Andrea Ghez e Reinhard Genzel.

Cos’è un buco nero?

La nozione di buco nero riflessa nella scienza popolare dipende dall’idea di orizzonte degli eventi: questo è quando la velocità necessaria per sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero supera la velocità della luce. Qualunque cosa cada nell’orizzonte degli eventi è persa per sempre.

Il raggio di Schwarzschild è il raggio dell’orizzonte degli eventi ed è proporzionale alla massa del buco nero. Ma la definizione di Schwarzschild ha una trappola: ci impone di sapere che nulla emergerà dal buco nero. Ciò significa che il buco nero deve essere monitorato per sempre per sapere che non esce nulla. In pratica, questo è impossibile.

Un’altra soluzione matematica alle equazioni di Einstein descrive la formazione di un buco nero attraverso il collasso di un guscio sferico di luce. Un orizzonte degli eventi si forma al suo centro, si espande verso l’esterno, incontra il guscio di luce in caduta nel raggio di Schwarzschild dove si ferma – et voilà! – si forma un buco nero.

Nuovi buchi neri

Non esistono buchi neri perfettamente isolati o immutabili. I buchi neri del mondo reale sono circondati da dischi che li orbitano, venti stellari e materia oscura, che producono tutti materia in caduta che aumenta le loro masse.

I buchi neri spesso esistono in coppia, si avvicinano sempre più a spirale l’uno all’altro ed emettono onde gravitazionali fino a quando non si fondono in un buco nero più grande, l’orizzonte che cambia nel tempo, drammaticamente così alla fusione.

Le onde gravitazionali LIGO/Virgo del 2016 hanno avuto origine dalla spettacolare fusione di due buchi neri. Quando queste onde hanno raggiunto la Terra, erano più deboli del rumore ambientale e potevano essere identificate solo abbinando i modelli teorici del segnale previsto ai dati.

Grandi banchi di modelli vengono generati in simulazioni al computer che ovviamente non possono durare all’infinito, come sarebbe necessario se il buco nero fosse caratterizzato dall’orizzonte degli eventi eterno. Invece, le simulazioni utilizzano l’orizzonte apparente, caratterizzato dalla proprietà che nulla può sfuggirgli ora.

Gli orizzonti apparenti hanno giocato un ruolo cruciale nella neonata astronomia delle onde gravitazionali, ma sono sorprendentemente poco conosciuti.

I buchi neri cambiano perché vivono in un universo in espansione. Il fisico teorico Stephen Hawking ha predetto che tutti i buchi neri irradiano energia a causa della meccanica quantistica, il che li fa rimpicciolire. Sebbene trascurabile ai fini pratici, questa radiazione è inevitabile in linea di principio.

Buco nero

Nuove comprensioni

La nostra comprensione dei buchi neri si basa sulla definizione matematica di orizzonte. L’orizzonte apparente è definito dal comportamento dei raggi luminosi nelle sue vicinanze: i raggi non possono sfuggire (e poiché nulla si muove più velocemente della luce, nulla sfugge) al momento presente.

Ma il comportamento dei raggi luminosi dipende dall’osservatore che li descrive utilizzando simulazioni matematiche. Poiché, nella relatività, tempo e spazio dipendono dall’osservatore, il luogo in cui i raggi si fermano e il tempo presente sono diversi per i diversi osservatori. Quindi, l’orizzonte apparente stesso dipende dall’osservatore.

L’esistenza stessa del buco nero è arrivata a dipendere dall’osservatore, mentre il vecchio orizzonte degli eventi era universale.

La matematica che esprime il nuovo concetto di buco nero ci dice che, anche nel caso di Schwarzschild, esistono degli osservatori secondo i quali non esiste un orizzonte apparente e, quindi, nessun buco nero! Certo, questi osservatori matematici sono molto artificiali.

Tutte le osservazioni naturali (quelle che avvengono osservando l’effettivo comportamento di un buco nero) che percepiscono la geometria di Schwarzschild come sferica, concordano sull’esistenza e sulla posizione dell’orizzonte apparente.

Gli scienziati hanno finalmente rilevato le onde gravitazionali dai buchi neri, ma hanno dovuto cambiare il modo in cui le comprendono. L’essenza della teoria del buco nero è ora diversa.

Valerio Faraoni, Professore, Fisica e Astronomia, Bishop’s University

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.

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