I buchi neri

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I Buchi Neri
Quando si forma un buco nero, tutta la sua storia passata viene dimenticata e le uniche due grandezze che lo descrivono e caratterizzano sono la sua massa e il Suo momento angolare (ossia quanto velocemente ruota).
Da un punta di vista matematico vi è in realtà un terzo parametro,

la carica elettrica, ma in genere si ritiene che i buchi neri siano neutri: una loro eventuale carica attrarrebbe cariche di segno opposto rendendoli rapidamente neutri.
I buchi neri ruotanti condividono con quelli non ruotanti la proprietà di essere circondati da una superficie immaginaria chiamata orizzonte degli eventi che rappresenta il limite di non ritorno al di sotto del quale nessun corpo riesce a sfuggire all'attrazione gravitazionale del buco nero. Quelli ruotanti hanno un ulteriore caratteristica: all'esterno dell'orizzonte vi è una regione denominata ergosfera. La superficie immaginaria che la delimita è chiamata limite statico. Cerchiamo di capire il motivo di questi nomi.
I buchi neri che si formano quando una stella muore hanno massa pari ad alcune masse solari e dimensioni (dell'orizzonte degli eventi) di una decina di chilometri. Ma

gli astrofisici sono fantasiosi e sono ricorsi alla presenza di buchi neri di massa di 1-100 milioni di masse solari
per spiegare la fenomenologia dei nuclei galattici attivi (quasar, galassie di Seyfert, radiogalassie, ecc.). E poi, non contenti, oltre ai suddetti medi e maxi buchi neri, hanno inventato anche i mini buchi neri, che potrebbero formarsi nelle primissime fasi di vita dell'Universo.
Dunque la Natura è in grado di produrre una grande varietà di buchi neri. In realtà, questi oggetti si differenziano fra loro solo per due grandezze fisiche, la massa e la velocità di rotazione. In questo senso i buchi neri sono gli oggetti più semplici dell'Universo.
Nelle stelle a neutroni la concentrazione di tanta massa in un così ridotto volume è

determinata da un'intensissima forza di gravità che attrae i neutroni verso il centro della stella. Tuttavia i neutroni sono particelle molto compatte e la loro "incomprimibilità" riesce a frenare questa forza che li vorrebbe schiacciare. La materia in quanto tale, infatti, non può essere compressa oltre un certo limite e una sfera di 10 km di diametro nella quale è concentrata la massa di una stella può essere già considerato quasi un assurdo. Eminenti studiosi si sono chiesti se in effetti la forza newtoniana di attrazione non sia in grado di vincere la cosiddetta "incomprimibilità" della materia, nel caso appunto di una massa di ingenti proporzioni compressa in un piccolo volume. La risposta è stata positiva. Sembra plausibile, affermano infatti tali scienziati, che l'esplosione di una supernova molto pesante (con una massa almeno 5 volte quella del Sole), provochi la formazione non di una stella a neutroni, ma di un astro dalle caratteristiche assai particolari.
In questa stella la forza di gravità raggiungerebbe livelli talmente elevati da superare tutte le altre forze e spingere la materia di cui si compone il corpo verso il centro. Si verificherebbe quindi una contrazione assai violenta e rapida, capace di rimpicciolire la stella fino a ridurla a un diametro uguale a zero. Il risultato sarebbe quindi, al di là di ogni immaginazione, la formazione di una stella a densità infinita. Questa specie di "budello cosmico" crea attorno a sé un campo di attrazione così potente da non permettere nemmeno alle onde elettromagnetiche di sfuggirgli. Infatti la velocità di fuga dalla sua superficie è superiore a quella della luce, che può in tal modo solo cadergli dentro senza poterne più uscire. Tutta la materia circostante viene voracemente risucchiata al suo interno: è nato quello che gli astronomi hanno chiamato buco nero. Si tratta proprio di un punto nello spazio che appare "nero", ossia "vuoto" all'esterno. Esso attrae verso di sé ogni oggetto che si trovi all'interno del suo campo gravitazionale, inghiottendolo e facendolo letteralmente sparire nel nulla.
La vita di una stella è un'incessante battaglia tra la forza gravitazionale che tende a comprimerla e la pressione esercitata dal suo gas, che cerca di impedirne il collasso.

Se la stella è troppo massiccia, la gravità alla fine prevale e la stella non può evitare di trasformarsi in buco nero, la cui caratteristica è di impedire la fuoriuscita di qualunque cosa vi precipiti, compreso il gas stesso della stella che lo ha prodotto. È allora ovvio chiedersi dove esso vada a finire.
Se la stella non ruota, una volta che - nella fase di collasso - la sua superficie ha attraversato l'orizzonte degli eventi del buco nero (che ricordiamo essere quella superficie immaginaria che in pratica determina le dimensioni del buco nero) ,tutto il materiale che la compone deve precipitare inesorabilmente verso un punto, secondo la teoria della relatività generale. Questa stessa teoria ci assicura che in quel punto si forma una "singolarità spazio-temporale", ossia un punto matematico di densità infinita in cui perfino le leggi della fisica cessano di valere. Diversa è la situazione che ci aspettiamo se la stella è in rotazione. Il buco nero che in tal caso si forma alla fine del collasso è memore della rotazione iniziale e la sua struttura interna è più complessa. Secondo la teoria, in questo caso la singolarità spazio-temporale ha la forma di un anello, ed in più il buco nero si comporta come una sorta di tunnel spazio-temporale, detto "ponte di Einstein-Rosen" dal nome degli scienziati che per primi lo studiarono.

I grani polvere in una nebulosa riflettono in maneria diversa le varie componenti della luce. La luce rossa attraversa quasi linearmente la nube, mentre la luce blu viene riflessa avanti e indietro tra i grani di polvere, colorando di blu tutta la nube. Lo stesso effetto si produce nell'atmosfera terrestre: la luce rosso-gialla del Sole ci arriva in modo diretto, mentre quella blu viene diffusa e fa assumere al cielo il suo caratteristico colore celeste.
Secondo la teoria della relatività generale, ogni corpo materiale deforma la geometria dello spazio-tempo circostante. Questa deformazione diviene estrema nel caso dei buchi neri. Un buco nero ruotante produce anche un altro effetto; tutto ciò che gli si avvicina è costretto a ruotare nel suo stesso senso. Il buco nero cioè si comporta come un gigantesco vortice marino. Proseguendo questa analogia, possiamo pensare a un pescato re a bordo di un battellino a motore la cui velocità massima supponiamo essere di 10 nodi l'ora. A grande distanza dal vortice il pescatore è libero di dirigere il battellino dove vuole, oppure di stare fermo rispetto alla riva. Ma se si avvicina al vortice, sarà piano piano trascinato e costretto a ruotare attorno al suo centro.

Vi sono due distanze particolari -dal centro del vortice - cui il pescatore deve fare attenzione. La prima è quella dove la velocità di rotazione della corrente del vortice eguaglia quella massima del battello. Al di sotto di essa il pescatore non sarà in grado di mantenere una posizione fissa, anche se dirige il battello alla massima velocità in direzione opposta al senso di rotazione del vortice. Tuttavia, con un po' di pratica di navigazione, egli sarà ancora in grado di sfuggire alla cattura del vortice. Ma se il pescatore si avvicina fino ad una distanza (inferiore alla precedente) tale che la velocità radiale della corrente, cioè quella verso il centro del vortice, uguagli quella massima del battellino, il vortice lo risucchierà inesorabilmente. Vediamo ora l'analogia con il buco nero ruotante. Invece del battellino consideriamo un fotone che, come noto, si muove alla velocità della luce. Il limite statico del buco nero corrisponde alla prima distanza critica per il pescatore, quella più esterna. L'orizzonte degli eventi corrisponde alla distanza critica più interna del pescatore: al di sotto di esso niente sfugge alla cattura del subdolo buco nero.

Sorgenti di energia

La regione compresa tra il limite statico e l'orizzonte è stata battezzata ergosfera da John Archibald Wheeler (cui si deve anche il nome "buco nero"). lì motivo del nome è collegato al fatto che essa fornisce una possibilità di estrarre energia a spese della rotazione del buco nero.
Si deve alla fantasia di Roger Penrose il seguente meccanismo di estrazione. Un astronomo prudentemente distante lancia un proiettile verso il buco nero. Dentro l'ergosfera, esso si disintegra in due frammenti di cui uno cade dentro il buco nero secondo una traiettoria che ruoti in senso contrario ad esso. Si può dimostrare che allora il secondo frammento può sfuggire alla cattura e tornare all' astronomo addirittura con una energia maggiore di quella iniziale. L'energia guadagnata è ottenuta a spese della rotazione del buco nero, che rallenta sempre di più se si ripete il processo in continuazione. Si dimostra che l'energia estraibile in tal modo è pari al 29% di quella contenuta sotto forma di massa del buco nero.
I buchi neri ruotanti potrebbero pertanto costituire una formidabile riserva di energia cui una super-civiltà può attingere nel modo immaginato da C. Misner, K. Thorne e J. Wheeler. Si costruisce una piattaforma circolare attorno al buco nero da cui gli esseri super-civilizzati possono scagliare verso il buco nero dei
cassonetti pieni di immondizie, secondo una traiettoria ben calcolata. Quando il cassonetro entra nell'ergosfera, un meccanismo automatico lo apre al momento opportuno in modo tale che i rifiuti precipitino secondo una traiettoria retrograda. Il cassonetto vuoto torna verso la piattaforma con un'energia maggiore di quella iniziale e questa energia viene usata per mettere in rotazione un volano collegato a un generatore elettrico. Così la super-civiltà non solo si libera in modo pulito dei rifiuti, ma si procura l'energia di cui ha bisogno.

Esempio



  



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