1/07/16

Come “scoprire” se un buco nero “isolato” è proprio nero… ***

Scoprire un buco nero accompagnato da una sorellina che si prende cura di lui potrebbe essere relativamente facile (se è abbastanza vicino, lo si può individuare anche con un telescopio da 20 cm, ne abbiamo parlato QUI). L'impresa sarebbe ben più ardua, e apparentemente impossibile, se il buco nero vivesse da solo. Tuttavia, una ricerca, soltanto teorica per adesso, potrebbe indicare la via da seguire.

E’ stata pubblicata una ricerca teorica che pare estremamente interessante e che potrebbe regalare (chissà quando) un legame tra la meccanica quantistica e la relatività generale. Non chiedetemi una descrizione professionale, che esulerebbe dai nostri scopi. Tuttavia, ho buttato giù una specie di “favola” che, nella sua limitatezza scientifica e nella sua estrema semplicità, può dare un’idea di quello che succederebbe nei pressi di un buco nero in formazione.

Abbiamo appena visto che un buco nero può individuarsi anche se cerca di passare inosservato. L’importante è che abbia una compagna che, seppur piccola, lo “sfami” anche molto lentamente e con parsimonia (QUI).

Affrontiamo, oggi, un problema ancora più difficile: capire se un buco nero è proprio nero senza altri aiuti se non quello di microscopiche eroine, le dominatrici dell’Universo.

La nostra piccola eroina è una particella, soggetta alla MQ. Non stiamo a specificare che tipo di particella, anche se questo potrebbe essere importante ai fini pratici. Una favola è una favola…

Chiamiamola Party e indichiamola con A. Essa se ne sta tranquilla (si fa per dire) sulla superficie di una stella decisamente grande (segnata in rosso) nella Fig. 1. Non abbiamo bisogno di pensare a un Universo che si espande, per cui sia noi che la stella (e la particella A) si muovono lungo linee di Universo che scorrono solo lungo l’asse del tempo. Ossia, non vi è alcun movimento relativo (e così non c’interessa la relatività ristretta, dato che il sistema di riferimento è lo stesso).

Figura 1
Figura 1

Disegniamo anche in arancione il cono di luce della particella A. La particella non è certo “stupida” e sa benissimo che cosa l’aspetta… Prima o poi la sua stella incomincerà a contrarsi e si troverà nel mezzo di una esplosione di supernova (come quella colta, per la prima volta, da Kepler nel visibile). Comunque, la nostra particella (per pura fortuna o per qualsiasi cosa vogliate) non verrà turbata dall’esplosione. Essa seguirà solo il destino della stella a cui appartiene. A ritmo costante essa invia anche informazioni a noi e queste informazioni ci raggiungono a differenze di tempo costanti. Un contatto diretto e continuo anche se un po’ ritardato.

Ed ecco arrivare il momento tanto atteso e tanto temuto: la stella improvvisamente si contrae. La stessa particella ne è sorpresa e si trova a galleggiare nel vuoto con la superficie stellare che gli sta scappando da sotto i piedi (attenzione: avrei più giustamente potuto prendere una particella qualsiasi esterna alla stella, che essendo vicina, subirebbe la gravità della stella e il cambiamento dello spaziotempo all’aumentare della densità, al pari delle solite astronavi che cercano di raggiungere i buchi neri… ma scritta così la favola mi piace di più e non cambia l’essenza anche se lascia ampi spazi alla fantasia).

L’ultima luce che la particella aveva mandato verso di noi è quella che ci ha raggiunto in B, Da quel momento in poi tutto cambia per lo spaziotempo della particella che si trova in balia della relatività generale e il suo spaziotempo è costretto modificarsi se vuole riuscire a raggiungere la sua stella ormai in fase di contrazione rapidissima.

La stella ha una caratteristica che dipende solo dalla sua massa (immaginando che non cambi) e ha un nome molto celebre: orizzonte degli eventi. Se riesce a penetrare al suo interno diventa un buco nero, se ne rimane al di fuori non è altro che una stella ultradensa, capace comunque di deformare lo spazio tempo attorno a lei (non cambia la massa, ma la densità).

La nostra eroina A segue un percorso curvo, anche se non se ne rende conto (Fig. 2). Il suo asse del tempo s’incurva e così il suo cono di luce (mantenendolo sempre diretto a 45° rispetto all’asse del tempo istantaneo) cerca di mandarci un segnale. Ci riesce, teoricamente, ma quando arriverà fino a noi? In un futuro molto lontano, che corrisponde alla traiettoria della luce che ci raggiungerà in BF.

Figura 2
Figura 2

Per la particella non sta succedendo niente di speciale, dato che si avvicina sempre più alla superficie della stella che si rimpicciolisce come dimensioni. Ma noi la vediamo sempre più lenta nei suoi spostamenti, fino a fermarsi (o quasi). Poco importa se riuscisse a fermarsi al di fuori dell’orizzonte degli eventi o arrivasse su di lui. Per noi sarebbe ferma. Non solo, però: la sua luce diventerebbe sempre più debole (o rossa) a causa della fatica che dovrebbe fare per uscire dal campo gravitazionale della stella in contrazione. Nel caso riuscisse a raggiunge l’orizzonte degli eventi ci potrebbe raggiungere solo in un tempo infinito, ossia mai. In altre parole, per noi il suo tempo si  ferma. Non solo per la particella però, ma anche per tutta la materia che cade verso il centro: una stella del genere la vedremmo collassare all'infinito.

Qual è il succo di questa favoletta? Che sarebbe praticamente impossibile capire se una stella che collassa è destinata a finire come buco nero (ossia entrare al di dentro dell’orizzonte degli eventi, una sua caratteristica ben definita sia prima che dopo se la massa non cambia) o se si fermasse poco prima di questo luogo di non ritorno. La particella, ossia la luce, ci direbbe ben poco.

Questo è un problema reale per i buchi neri stellari: sono stelle superdense o sono buchi neri, ossia stelle che continuano a collassare? Le osservazioni per chi sta lontano non possono dire molto di più. La particella, invece, saprebbe benissimo cosa sta facendo, ma la sua informazione viaggia con la velocità della luce e quindi non la otterremmo mai.

Qualsiasi altra particella, proveniente dall'esterno, passando da quella parti, sarebbe costretta a seguire il destino di A... piegherebbe la traiettoria spaziotemporale e si fermerebbe in "qualche punto". Sì ma quale? Non si può aspettare che si avvicini troppo, se no la sua luce non arriverebbe mai fino a noi, ma un po' prima riusciremmo ancora a "sentirla" e a studiarla. Potrebbe darsi che certi comportamenti della particella, mentre sta cadendo, fossero diversi nei due casi. E qui si entra nel lavoro di ricerca, ben più complesso e ostico.

Calcoli teorici e simulazioni sembrano mostrare che lo spettro energetico delle particelle  assuma struttura diversa. Se esse si stanno avvicinando a una superficie stellare esterna, anche se di poco, all’orizzonte degli eventi, mostrano uno spettro discreto, in cui si notano degli spazi vuoti. Non chiedete di più, dato che sono condizioni che fanno parte della MQ e del campo gravitazionale di Einstein. Potremmo solo dire che tutto dipende dalla vicinanza di una superficie reale, che ha smesso effettivamente la contrazione oppure no. In altre parole, ci sarebbero zone del campo in cui le particelle verrebbero bloccate se non fossero di una certa energia.

Lo spettro sarebbe continuo se la superficie della stella fosse in continuo “arretramento”, ossia se il collasso continuasse anche oltre l’orizzionte degli eventi (ossia nel caso di un vero buco nero). Avrebbe dei “vuoti” se non lo fosse.

Un problema praticamente irrisolvibile finora (buco nero effettivo o stella superdensa di dimensioni lievemente superiori all’orizzonte degli eventi) potrebbe teoricamente essere risolto dalle osservazioni dello spettro energetico delle particelle che stanno cadendo. Una speranza, per adesso, ma che potrebbe anche non essere solo un sogno nel prossimo futuro.

Fatemi riassumere brutalmente la favola: una stella che collassa arriva a un punto tale che la luce che invia si “ferma” e sparisce letteralmente e non permette di fare differenza tra ciò che succede poco prima dell’orizzonte degli eventi e ciò che capita quando lo raggiunge, mentre la stella continua nel suo collasso. Tuttavia, se si potesse studiare lo spettro di una particella varrebbe la condizione: se il suo spettro non ha livelli discreti siamo di fronte a un buco nero; se, invece, li ha, si tratta “solo” di un oggetto “compatto”, degenere quanto volete.

Prendete la mia descrizione per quello che è. La trattazione del campo gravitazionale attorno a un buco nero, di come esso vari nelle differenti condizioni e di come si faccia sentire sulle particelle governate dalla MQ è argomento troppo ostico per il nostro circolo (almeno per adesso..) e -probabilmente- non ancora compreso.

Cerchiamo di accontentarci e di capire l’estrema importanza di una ricerca che ha evidenziato (teoricamente per ora) una possibilità osservativa per discriminare oggetti molto simili come dimensioni, ma completamente diversi come essenza fisica.

Articolo originale QUI

4 commenti

  1. Gianni Bolzonella

    In pratica se non ho capito male,è un oggetto tra la stella di neutroni e il buco nero.Mi ero immaginato,chissà perché,che visto il verbo collassare, come gli elettroni che saltano con orbite definite,anche le stelle collassassero in qualcosa di definito.

  2. caro Gianni,

    per collassare, in astrofisica, si intende qualcosa che si comprime sempre di più, generalmente obbedendo alla forza di gravità mutua che non trova più la reazione dovuta alla fusione degli elementi pesanti. In altre parole: tessa massa ma minore volume. Ma è' anche collasso quella di una nube pre- stellare che prima o poi viene fermata dall'energia termica e poi da quella nucleare.

    Le stelle che collassano lo fanno fino a che non trovano qualcosa che controbilancia la gravità. Come detto, se la stella è ancora in piena forma, è la fusione nucleare. Se questa manca vi sono i vari tipi di materia degenere (nane bianche e poi stelle di neutroni) che riescono a fermare il collasso. Se la massa è troppo grande il collasso continua all'infinito (per quanto ne sappiamo) ed è buco nero. Una stella degenere può essere solo di poco più grande del suo orizzonte degli eventi e quindi rimane stella di diametro definito. Se si contrae di più, entra dentro il suo orizzonte e diventa un buco nero. Se continua a collassare o no importa relativamente, ormai il guaio dell'informazione che non torna più indietro è stato fatto. Per un buco nero il diametro che conta veramente è un diametro "finto" e non concreto, quello dell'orizzonte degli eventi. Un limite definito per noi che guardiamo da fuori, ma del tutto superabile da una particella in balia del campo gravitazionale.

  3. Gianni Bolzonella

    Grazie Enzo per la tua chiara risposta.Buona domenica

  4. buona domenica anche a te Gianni!

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