05/06/21

Una vacanza strabiliante **

Questo articolo è inserito nell'approfondimento dedicato ai Buchi Neri, che raccoglie in modo organico gli articoli più significativi sull'argomento.

 

Cari amici, che ne dite di un bel viaggetto fino a un buco nero? Magari proprio su Cygnus X-1 a 8000 Anni Luce da noi? E, se tutto va bene, cercare anche, in seguito, di entrare al suo interno? L'articolo è dedicato ad Albertone che vorrebbe tentare l'impresa.

Immaginiamo di salire su un’astronave e di avere a bordo tre finestroni. Uno diretto proprio verso il buco nero, uno in senso opposto e uno laterale. Ognuno di essi ha un’apertura di 90° in modo da ottenere una vista panoramica totale di 270°.

Per maggiore chiarezza abbiamo “pulito” la zona intorno al buco nero, che in Cygnus X-1 forma un sistema doppio e che ingoia materia dalla compagna. Non vedremo quindi gas spiraleggiare verso di esso, ma solo gli effetti della distorsione dello spazio. Ovviamente la nostra astronave subirà un’accelerazione terribile per effetto del campo gravitazionale del buco nero e cercheremo di tenerla sotto controllo, sperando che il materiale con cui hanno costruito l’astronave sia veramente resistente.

Per effettuare delle riprese o per avere una visione più chiara di ciò che stiamo per raggiungere sarebbe molto meglio fermarsi di tanto in tanto. In altre parole, questo vuol dire due cose: non assistere all’effetto dell’aberrazione della luce e impartire un’accelerazione in senso opposto alla direzione del buco nero in modo da rimanere immobili quando la sua gravità comincerà a farsi sentire. A quel punto il vero motore sarà il buco nero che ci attirerà, mentre il motore costruito sulla Terra servirà solo per arrestare il nostro velivolo.

Non stupiamoci dei valori “eccezionali” che salteranno fuori, dato che vogliamo arrivare a pochi chilometri  da un oggetto che ha una massa pari a 10 volte quella del Sole, concentrata in un volume di soltanto 60 km di diametro!

Va bene, non pensiamo più ai problemi e iniziamo il viaggio vero e proprio. Senza alcuna difficoltà arriviamo a una distanza dal buco nero pari a 150 milioni di chilometri. Fin qui avevamo la rotta perfettamente predisposta. Ora dovremo viaggiare a vista… Ci guardiamo intorno, ma del buco nero nemmeno l’ombra. Siamo forse troppo distanti?

Beh, non crediamo proprio: in fondo siamo alla stessa distanza della Terra dal Sole, ma al posto del Sole abbiamo una massa dieci volte superiore. Fermiamoci a guardare a occhio nudo. Ci accorgiamo che pur spegnendo i motori, la nostra astronave continua a viaggiare e accelerare. Per fermarci, siamo costretti a impostare un’accelerazione, non certo trascurabile, opposta a quella che ci sta trascinando verso un certo punto  del cielo non identificato. Proviamo a guardare meglio dai tre finestroni, ad astronave ferma (Fig. 1). No, non si vede, ma si fa sentire. D'ora in poi basterà lasciarsi trasportare dalla sua gravità.

Figura 1
Figura 1

Forse è meglio limitarci, per adesso, al primo finestrone per guardare meglio (Fig. 2)

Figura 2
Figura 2

Conviene proseguire e, intanto, facciamo un po’ di conti… La zona interna all’orizzonte degli eventi (quella da cui nessuna luce può pervenirci) è di soli 185 km. Alla nostra distanza corrisponde a circa 0.2 secondi d’arco. Troppo piccolo per il nostro occhio che al limite riesce a identificare un angolo di un minuto d’arco. E’ inutile cercare di aguzzare la vista. Fidiamoci di Einstein (che ha sempre ragione, o quasi!) e andiamo avanti.

Il viaggio continua e l’accelerazione diventa sempre più forte. Forse, forse, era meglio stare a casa. Siamo ormai a 1.5 milioni di chilometri dal “supposto” buco nero e, finalmente lo vediamo! Sembra un cerchietto appena percettibile di luce diffusa (Fig. 3, scusate la scarsa messa a fuoco, ma stiamo spingendo al massimo gli ingrandimenti della telecamera).

Figura 3
Figura 3

Il punto nero centrale è indistinto, ma si vede la distorsione della luce che lo circonda e che giunge a noi deformando leggermente l’immagine (relatività generale…). Ciò che sta dietro a quel puntino subisce l’effetto Einstein e si manifesta come un immagine circolare (anello di Einstein). Tutto ciò corrisponde, in maniera appena percettibile, a ciò che potevamo aspettarci. Ci rendiamo conto, con una certa apprensione, che per tenere ferma l’astronave abbiamo impartito un’accelerazione di 100 g (g = gravità terrestre) che mette un po’ in crisi la struttura meccanica. Meglio spegnere i motori e farci trasportare dalle forze della Natura… Comunque sia, siamo abbastanza agitati.

Il Buco Nero è ormai ben visibile quando arriviamo a una distanza di 3000 km (Fig. 4).

Figura 4
Figura 4

E', però, l’accelerazione che ci spaventa: 15 milioni di volte quella che subiamo sulla superficie terrestre (ne abbiamo parlato QUI). Essendo ormai relativamente vicini, gran parte delle nubi molecolari che stanno attorno al buco nero si sono deformate così come sono aumentati gli oggetti nascosti dal cerchietto nero, creando immagini multiple e/o anelli di Einstein.

Ripartiamo subito, spegnendo i motori… Siamo, ormai, a soli 600 km dall’orizzonte degli eventi. Ci fermiamo, con i capelli dritti per l’accelerazione necessaria: 400 milioni di g! La visione è però molto affascinante (Fig. 5).

Figura 5
Figura 5

Il buco nero sembra proprio un imbuto circondato da materia che invita ad entrare. Non è, però, la materia che cade verso di lui (abbiamo detto che non la consideriamo, per non rendere le cose ancora più complicate), ma la curvatura della luce che sembra allontanare la materia  e renderla circolare, come gli archi dovuti all’effetto Einstein.

La Fig. 6 ci mostra molto schematicamente cosa avviene.

Figura 6
Figura 6

In A la luce (rossa) che proviene dalla materia che sta in R non subisce variazioni. In B quella che riceviamo è già distorta e l’immagine ci appare più lontana di quello che dovrebbe essere, In C e D la faccenda diventa ancora più evidente. La luce (blu) proveniente dalla materia S, più lontana dal buco nero, sia in A che in B e in C non subisce curvatura. In D, però,  la subisce anch’essa. In poche parole, mentre ci avviciniamo, una parte sempre maggiore di cielo subisce una deformazione. Ma può succedere molto di peggio...

Un altro salto ed eccoci a 150 km dall’orizzonte degli eventi. Ormai tutta l’immagine frontale è occupata dal buco nero e da materia che appare distorta . Conviene  aggiungere anche ciò che si vede attraverso gli altri due finestroni. , quello laterale e quello posteriore (Fig. 7).

Figura 7
Figura 7

Anche quella laterale appare distorta e abbiamo quasi paura di calcolare l’accelerazione che abbiamo impartito per restare fermi: 6 miliardi di volte quella subita sulla superficie terrestre… Bisogna dire che i tecnici hanno lavorato proprio bene.

Ormai siamo in ballo e balliamo, portandoci a 90 km dall’orizzonte degli eventi (Fig. 8 )

Figura 8
Figura 8

Davanti solo il nero più nero che c’è. Il buco nero si allarga anche al finestrone laterale  e la distorsione si fa spaventosa. E l’accelerazione? "Soltanto" 30 miliardi di g.

Nuovo salto ed eccoci a 45 km di distanza (Fig. 9). Il buco nero occupa esattamente metà del campo visivo. Metà del cielo è ormai completamente nero. Siamo arrivati a un punto critico, quello che si chiama orbita circolare della luce o sfera fotonica. I fotoni non sono ancora catturati dal buco nero, ma sono costretti a girargli attorno (ne parleremo nella prossima puntata, più tecnica).

Figura 9
Figura 9

Superata questa distanza il buco nero occupa più della metà del cielo. Sembra proprio di essere già nella sua "pancia".

Scendiamo ancora fino a 13 km dall’orizzonte (Fig. 10). La visione è entusiasmante in quanto è ormai il cielo che appare come un buco luminoso completamente distorto. L’accelerazione è solo  "lievemente" aumentata: 650 miliardi di g. Se vogliamo ancora vedere qualche stella, dobbiamo guardare nel finestrone posteriore (Fig. 10)…

Figura 10
Figura 10

Ormai siamo “condannati” e guardando indietro arriviamo a 4 km dall’orizzonte degli eventi: il cielo è un dischetto piccolissimo, pieno zeppo di immagini multiple. L’accelerazione ha raggiunto i due trilioni di g (Fig. 11).

buco42
Figura 11

Poi il nostro Universo diventa un punto e scompare in un attimo (Figura 12)

Figura 12
Figura 12

Siamo dentro l’orizzonte degli eventi! Un senso di libertà mista a disperazione, prima di... svegliarci, completamente sudati. Un sogno… è stato solo un sogno… ma veramente fantastico!

A noi non resta che ripetere l’esperienza in modo virtuale, studiando più seriamente ciò che capita durante il viaggio… pensando anche che quando l’astronave è in movimento è soggetta all’aberrazione della luce. Impareremo molte cose e faremo fatica a crederci.

Questo è stato solo un piccolo antipasto: abbiamo visto che arrivando al buco nero, fermandosi di tanto in tanto, sembra che si sia già dentro di lui ben prima di essere arrivati all'orizzonte degli eventi. Se non ci fermassimo mai, sembrerebbe, invece, di essere sempre fuori, anche se giunti nell'orizzonte. Chi vuole può già pensarci... o andare a (ri)leggersi questo articolo completo.

E’ giusto ricordare che le splendide immagini  sono state “costruite” al computer da Ute Kraus.

8 commenti

  1. Alberto Salvagno

    Troppo onore Vincenzo, ti assicuro che non mi merito cotanta dedica. Sono molto curioso, tutto qui. In questo momento sto facendo una strabiliante vacanza sulla spiaggia accanto a casa mia, ma mi riprometto, quando torno al mio pc, di verificare le accelerazioni che hai elencato, prima di lasciarmi scivolare definitivamente nel tuo inghiottitoio.

    Tutta la mia vita ho scritto con la luce, dovrò ora imparare a scrivere con il buio?

  2. alberto salvagno

    Bene, divertiti pure mentre io lavoro! Eccoti i miei compitini di verifica che ti avevo promesso.

    Prima di tutto ho verificato il raggio di Schwartschild del buco nero Cygnus X-1 e già che c'ero anche la sua densità:

    viaggio 1

    confermati quindi i tuoi 60 Km di diametro. Ma qui già mi accorgo di qualcosa che non ho capito, perché tu dici: "La zona interna all’orizzonte degli eventi (quella da cui nessuna luce può pervenirci) è di soli 185 km". Vorrà dire che mentre tu riposi io ci penserò su!

  3. alberto salvagno

    Comunque ho poi fatto anche il calcolo dell'attrazione gravitazionale del buco nero a 150 milioni di Km di distanza, la stessa da cui parti che, guarda caso, è anche la distanza Terra-Sole. Ebbene, poiché il buco nero ha una massa 10 volte superiore a quella del sole, anche l'attrazione risulta decuplicata. Me l'aspettavo!

    viaggio 2

  4. alberto salvagno

    Quindi ho ricalcolato i g per ognuna delle tappe di questo viaggio strabiliante. Ho però trovato delle differenze:

    viaggio 3

    a 1,5 milioni di Km tu parli di 100 g, ma io ho trovato 60; a 3 mila Km anch'io ho trovato 15 milioni di g; anche a 600 Km più o meno ci siamo, 400 milioni tu e 375 milioni io; uguali a 150 Km i 6 miliardi; a 90 Km invece io calcolo 16 miliardi di g e tu circa il doppio, 30 miliardi; a 13 Km tu parli di 650 miliardi di g mentre io trovo 800 miliardi; infine a 4 Km dici che "l'accelerazione ha raggiunto i 2 trilioni di g" mentre io ne calcolo 8,5, sempre che tu mi conferma che stiamo parlando di trilioni all'americana, insomma 10 alla 12 e non 10 alla 18.

    Lo sai che non ti chiedo di controllare i miei calcoli, ma non mi dispiacerebbe se altri appassionati del Circolo lo facessero. In fondo è buona, anzi ottima scienza anche quella di ricontrollare i risultati altrui.

  5. alberto salvagno

    Poi mi è venuto un dubbio: quando si calcola la distanza dal buco nero si deve calcolarla dal suo centro (dove c'è la singolarità) o dal suo orizzonte degli eventi? Cioè quando dici che siamo a 4 Km, devo fare il calcolo su 34 Km (30, raggio del buco nero +4 Km) ?? Perché allora il calcolo per me sarebbe questo:

    viaggio 4

    Grazie, scusa, abbi pazienza con un povero vecchio ignorante come me, divertiti e ci risentiamo con calma - se vuoi - quando torni

  6. ti dirò Albertone... nemmeno io li hi calcolati, ma li ho presi per buoni da una fonte americana degna di fiducia... però, sai... fidarsi è bene e non  fidarsi è meglio... Ben vengano altri scrupolosi controllori !!!

    A presto!!!

  7. Alberto Salvagno

    Immaginavo, ma secondo te 'sta distanza va calcolata dall' orizzonte degli eventi o dal centro del buco nero? 4 km o 34 km?

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