I buchi neri – Le risposte alle vostre domande in modo chiaro e comprensibile [parte 3]

SOMMARIO
Come si forma un buco nero?
Cosa succede a un oggetto che cade nel buco nero? Come lo vediamo?
Cosa succede alle stelle e alle galassie attorno all’orizzonte? Come le vediamo?
Cosa succederebbe se noi entrassimo nel buco nero?
Che cosa succede nella singolarità (lo spazio interno) di un buco nero?
Si potrebbe sfruttare l’energia di un buco nero per iniziare una colonizzazione?
Come scorre il tempo in un buco nero?
I buchi neri ruotano?
Esce qualcosa dall’interno del buco nero o resta tutto intrappolato?
E’ vero che un buco nero può evaporare?
Cosa significa che un buco nero “non ha peli”?
Glossario

I buchi neri ruotano?

Buco nero - rappresentazione artistica dell'orizzonte

I buchi neri rotanti creano vortici nello spazio attorno [01]

Esistono quattro modelli di buco nero previsti dalle equazioni di Einstein; due di questi sono rotanti. I buchi neri rotanti sono stati descritti nel 1964 da Roy Kerr: sono buchi che creano un vortice nello spazio attorno, sempre più veloce a mano a mano che ci si avvicina all’occhio del ciclone.
Guardandola dall’esterno, noi vedremmo una particella caduta congelata sull’orizzonte, ma nella realtà questa starà scendendo lungo il vortice.

Approfondimento: la velocità di rotazione di un buco rotante

Larry Smarr, nel 1973, ha dimostrato che un buco nero rotante ha l’orizzonte ovalizzato per effetto della rotazione (mentre gli altri tipi di buchi sono perfettamente sferici).
Nessun buco può ruotare oltre una certa velocità, perché altrimenti porterebbe il suo orizzonte a distruggersi. Per un buco della massa del Sole, la rotazione massima è di un giro ogni 62 microsecondi. Quando supera questo limite, non è più possibile aggiungere materia ad alta velocità per farlo accelerare: qualsiasi interazione con l’esterno porta il buco a rallentare.
Da notare che dividente il diametro di un buco con massa solare (18,5 km) per la rotazione massima (0,000062 s) si ha una velocità prossima a quella della luce, che come sappiamo dalle leggi di Einstein non può mai essere superata.

Esce qualcosa dall’interno del buco nero o resta tutto intrappolato?

Buco nero - fuoriuscita di radiazioni

Stephen Hawking ha dimostrato che un buco nero continua a emettere radiazioni [02]

Lo abbiamo già accennato: qualcosa, in effetti, esce dal «gigante divoratore». Per quanto sia potente la gravità di un buco nero, Stephen Hawking è riuscito a dimostrare che i buchi neri rotanti devono emettere delle radiazioni e quindi rallentare con il tempo la rotazione.
Non solo. Anche quando il buco finisce la rotazione e l’energia, continua a emettere radiazioni di ogni tipo: gravitazionale, elettromagnetica, neutrini. La conseguenza è una continua perdita di energia.

Approfondimento: entropia e massa diminuiscono, mentre temperatura e gravità aumentano

Jacob Bekestein dimostrò che il principio dell’entropia funziona anche nei buchi neri (vedere il glossario per il significato di «entropia»). Stephen Hawking dimostrò nel 1974 che un buco non rotante di 10 masse solari ha un’entropia pari a 4,6 * 10^78 (cioè circa 1 seguito da 10^79 zeri: un numero gigantesco, pari a quello che si presume essere il numero di atomi nell’Universo).
Cosa significa questa quantità di entropia? Non è stato facile arrivare a capirlo, ma alla fine si è trovata la risposta: è il numero di modi in cui il buco nero di 10 masse solari può essersi creato.
Ancora, si sa che il buco nero ha un’entropia proporzionale all’area della sua superficie. Entropia e area dell’orizzonte sono proporzionali al quadrato della massa del buco; al contrario, temperatura e gravità superficiali sono inversamente proporzionali alla massa. Continuando a emettere radiazioni e a convertire massa in energia, l’entropia e la massa diminuiscono, e di conseguenza temperatura e gravità superficiale aumentano. In altre parole, il buco si contrae e diventa più caldo.

E’ vero che un buco nero può evaporare?

Buco nero che divora materia ed emette radiazioni

I buchi neri, con i millenni, evaporano. Ma richiedono un tempo più lungo dell’età dell’universo [03]

Lo aveva ipotizzato John Archibald Wheeler negli anni ’60, e in seguito lo confermarono Stephen Hawking e Yakov Borisovich Zel’dovich: un buco nero scompare con il tempo. Come abbiamo visto nella sezione precedente, infatti, le radiazioni possono aprirsi una strada da un buco e uscirne.
Purtroppo, è un fenomeno che non avremo mai occasione di vedere, perché le equazioni matematiche dimostrano che l’evaporazione di un buco nero impiega un tempo che è molto più lungo dell’età del nostro Universo.

Approfondimento: il tempo che un buco ci mette per evaporare

Se il buco è nato dall’implosione di una stella con massa superiore a 2 Soli, avrà una temperatura bassissima pari a 0,03 microkelvin (poco sopra lo zero assoluto). All’inizio, quindi, il buco evapora lentamente e richiederà ben 10^67 anni per contrarsi: che è 10^57 volte l’età dell’Universo.
In seguito, però, l’evaporazione accelera. Quando il buco avrà una certa massa (un peso non ancora conosciuto tra le mille e le 100 milioni di tonnellate), raggiungerà una temperatura tra mille miliardi e 100 milioni di miliardi di gradi: a questo punto esploderà in una frazione di secondo.
Più il buco è grande più tempo impiega a evaporare: la durata di un buco è proporzionale al cubo della massa. Per esempio, un buco con massa di 20 Soli impiegherà circa 10^70 anni a evaporare.

Cosa significa che un buco nero “non ha peli”?

Buco nero - sfera irregolare

Un buco nero ha un orizzonte rotondo, qualsiasi sia il tipo di stella che l’ha generato [04]

Zel’dovich, Wheeler e Dennis William Sciama hanno dimostrato che un buco nero “non ha peli”, cioè il suo orizzonte è sempre rotondo. Questo succede indipendentemente dal tipo di stella implosa che l’ha generato.
Di più, Wernel Israel ha fatto un’ulteriore dimostrazione. Prendiamo un corpo dalla forma altamente non sferica (cioè piena di “sporgenze” simili a montagne), senza carica elettrica e che non ruota. Allora la sua implosione può avere solo due effetti: o crea un buco nero completamente sferico, oppure non crea un buco nero.

Approfondimento: dettagli sulla sfericità di un buco nero e sugli elementi che vengono espulsi

Richard Prince ha dimostrato che le “montagne” del corpo vengono espulse sottoforma di onde gravitazionali, che increspano la curvatura dello spaziotempo. E’ per questo motivo che, alla fine, il buco nero diventa sferico. Le stelle magnetizzate fanno la stessa fine, disperdendo le “montagne” sottoforma di radiazione elettromagnetica.
Dopo queste espulsioni, nel buco rimangono quelle quantità che non possono essere convertite in radiazioni: attrazione gravitazionale (dovuta alla massa del buco), vortice spaziale (dovuto alla rotazione), linee del campo magnetico che puntano verso l’esterno (dovute alla carica elettrica del buco). Queste sono appunto le tre proprietà misurabili di un buco nero.

Fonti esterne

“Buchi neri e salti temporali”, di Kip Thorne

Copyright immagini

[01] http://www.huffingtonpost.com/don-lincoln/misleading-science-black-_b_6934296.html
[02] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_information_paradox
[03] https://svs.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/details.cgi?aid=10807
[04] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Black_Hole_in_the_universe.jpg

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