Buchi neri: tutto ciò che devi sapere

I buchi neri sono alcuni degli oggetti più strani e affascinanti di questo Web. Sono estremamente densi, con un'attrazione gravitazionale così forte che nemmeno la luce può sfuggire alla loro presa.

La Via Lattea potrebbe contenere oltre 100 milioni di buchi neri, anche se rilevare queste bestie golose è molto difficile. Nel cuore della Via Lattea si trova un buco nero supermassiccio Sagittario A*. La colossale struttura è circa 4 milioni di volte la massa del Sole e si trova a circa 26.000 anni luce dalla Terra , secondo una dichiarazione della NASA (si apre in una nuova scheda).

La prima immagine di un buco nero è stata catturata nel 2019 dalla collaborazione Event Horizon Telescope (EHT). La sorprendente foto del buco nero al centro della galassia M87 a 55 milioni di anni luce dalla Terra ha entusiasmato gli scienziati di tutto il mondo.

Scoperta del buco nero

Albert Einstein predisse per la prima volta l'esistenza dei buchi neri nel 1916, con la sua teoria della relatività generale. Il termine "buco nero" fu coniato molti anni dopo, nel 1967, dall'astronomo americano John Wheeler. Dopo decenni in cui i buchi neri erano conosciuti solo come oggetti teorici.

Il primo buco nero mai scoperto è stato Cygnus X-1, situato all'interno della Via Lattea nella costellazione del Cigno, il Cigno. Gli astronomi hanno visto i primi segni del buco nero nel 1964 quando un razzo sonda ha rilevato sorgenti celesti di raggi X secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). Nel 1971, gli astronomi stabilirono che i raggi X provenivano da una stella blu brillante in orbita attorno a uno strano oggetto scuro. È stato suggerito che i raggi X rilevati fossero il risultato del materiale stellare strappato via dalla stella luminosa e "divorato" dall'oggetto oscuro, un buco nero che consuma tutto.

Quanti buchi neri ci sono?

Al centro della Via Lattea si trova un buco nero supermassiccio Sagittario A* (Sgr A*). (Credito immagine: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI) (si apre in una nuova scheda)

Secondo il This Web Telescope Science Institute (si apre in una nuova scheda) (STScI) circa una stella su mille è abbastanza massiccia da diventare un buco nero. Poiché la Via Lattea contiene oltre 100 miliardi di statistiche, la nostra galassia natale deve ospitare circa 100 milioni di buchi neri.

Sebbene rilevare i buchi neri sia un compito difficile e le stime della NASA (si apre in una nuova scheda) suggeriscono che potrebbero esserci da 10 milioni a un miliardo di buchi neri stellari nella Via Lattea.

Il buco nero più vicino alla Terra è soprannominato "The Unicorn" e si trova a circa 1.500 anni luce di distanza. Il soprannome ha un doppio significato. Non solo il candidato buco nero risiede nella costellazione del Monoceros ("l'unicorno"), ma la sua massa incredibilmente bassa circa tre volte quella del sole lo rende quasi unico nel suo genere.

Immagini di buchi neri

L'Event Horizon Telescope, una serie su scala planetaria di otto radiotelescopi terrestri forgiati grazie a una collaborazione internazionale, ha catturato questa immagine del buco nero supermassiccio al centro della galassia M87 e della sua ombra. (Credito immagine: collaborazione EHT) (si apre in una nuova scheda)

Nel 2019 la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha rilasciato la prima immagine mai registrata di un buco nero. L'EHT ha visto il buco nero al centro della galassia M87 mentre il telescopio stava esaminando l'orizzonte degli eventi o l'area oltre la quale nulla può sfuggire da un buco nero. L'immagine mappa l'improvvisa perdita di fotoni (particelle di luce). Apre anche un'intera nuova area di ricerca sui buchi neri, ora che gli astronomi sanno che aspetto ha un buco nero.

Nel 2021, gli astronomi hanno rivelato una nuova visione del gigantesco buco nero al centro di M87, mostrando come appare la struttura colossale in luce polarizzata. Poiché le onde luminose polarizzate hanno un orientamento e una luminosità diversi rispetto alla luce non polarizzata, la nuova immagine mostra il buco nero in modo ancora più dettagliato. La polarizzazione è una firma dei campi magnetici e l'immagine chiarisce che l'anello del buco nero è magnetizzato.

Dopo il rilascio della prima immagine di un buco nero nel 2019, gli astronomi hanno catturato una nuova visione polarizzata del buco nero. (Credito immagine: collaborazione EHT) (si apre in una nuova scheda)

Che aspetto hanno i buchi neri?

I buchi neri hanno tre "strati": l'orizzonte degli eventi esterno ed interno e la singolarità.

L'orizzonte degli eventi di un buco nero è il confine attorno alla bocca del buco nero, oltre il quale la luce non può sfuggire. Una volta che una particella attraversa l'orizzonte degli eventi, non può andarsene. La gravità è costante nell'orizzonte degli eventi.

La regione interna di un buco nero, dove giace la massa dell'oggetto, è conosciuta come la sua singolarità, l'unico punto in questo tempo web in cui è concentrata la massa del buco nero.

Gli scienziati non possono vedere i buchi neri nel modo in cui possono vedere le stelle e altri oggetti in Questo Web. Invece, gli astronomi devono fare affidamento sul rilevamento della radiazione emessa dai buchi neri quando polvere e gas vengono attirati nelle creature dense. Ma i buchi neri supermassicci, che si trovano al centro di una galassia, possono essere avvolti dalla polvere densa e dal gas che li circonda, che possono bloccare le emissioni rivelatrici.

Dove portano i buchi neri?

Qual è la cosa più grande dell'universo?

A volte, quando la materia viene attirata verso un buco nero, rimbalza sull'orizzonte degli eventi e viene scagliata verso l'esterno, invece di essere tirata nelle fauci. Vengono creati getti luminosi di materiale che viaggiano a velocità quasi relativistiche. Sebbene il buco nero rimanga invisibile, questi potenti getti possono essere visti da grandi distanze.

L'immagine dell'EHT di un buco nero in M87 (rilasciata nel 2019) è stato uno sforzo straordinario, che ha richiesto due anni di ricerca anche dopo che le immagini sono state scattate. Questo perché la collaborazione dei telescopi, che si estende a molti osservatori in tutto il mondo, produce un'incredibile quantità di dati che è troppo grande per essere trasferita via Internet.

Con il tempo, i ricercatori si aspettano di visualizzare altri buchi neri e creare un archivio di come appaiono gli oggetti. Il prossimo obiettivo è probabilmente il Sagittario A*, che è il buco nero al centro della nostra galassia, la Via Lattea. Il Sagittario A* è intrigante perché è più silenzioso del previsto, il che potrebbe essere dovuto ai campi magnetici che ne soffocano l'attività, secondo uno studio del 2019. Un altro studio di quell'anno ha mostrato che un alone di gas freddo circonda il Sagittario A*, che fornisce una visione senza precedenti dell'aspetto dell'ambiente attorno a un buco nero.

Il diagramma dell'anatomia del buco nero dell'ESO mostra l'aspetto di un buco nero ed etichetta i diversi componenti. (Credito immagine: ESO) (si apre in una nuova scheda)

Tipi di buchi neri

Finora, gli astronomi hanno identificato tre tipi di buchi neri: buchi neri stellari, buchi neri supermassicci e buchi neri intermedi.

Buchi neri stellari piccoli ma mortali

Quando una stella brucia attraverso l'ultimo del suo combustibile, l'oggetto può collassare o cadere su se stesso. Per le stelle più piccole (quelle fino a circa tre volte la massa del sole ), il nuovo nucleo diventerà una stella di neutroni o una nana bianca. Ma quando una stella più grande collassa, continua a comprimersi e crea un buco nero stellare.

I buchi neri formati dal collasso delle singole stelle sono relativamente piccoli ma incredibilmente densi. Uno di questi oggetti racchiude più di tre volte la massa del sole nel diametro di una città. Ciò porta a una quantità pazzesca di forza gravitazionale che attira gli oggetti attorno all'oggetto. I buchi neri stellari consumano quindi la polvere e il gas dalle galassie circostanti, il che li fa crescere di dimensioni.

Buchi neri supermassicci la nascita dei giganti

Piccoli buchi neri popolano l'universo, ma i loro cugini, i buchi neri supermassicci, dominano. Questi enormi buchi neri sono milioni o addirittura miliardi di volte più massicci del Sole, ma hanno all'incirca le stesse dimensioni di diametro. Si pensa che tali buchi neri si trovino al centro di quasi tutte le galassie, inclusa la Via Lattea.

Gli scienziati non sono sicuri di come si generino buchi neri così grandi. Una volta che questi giganti si sono formati, raccolgono massa dalla polvere e dal gas che li circonda, materiale che è abbondante al centro delle galassie, permettendo loro di crescere fino a dimensioni ancora più enormi.

I buchi neri supermassicci possono essere il risultato di centinaia o migliaia di minuscoli buchi neri che si fondono. Anche grandi nubi di gas potrebbero essere responsabili, collassando insieme e accumulando rapidamente massa. Una terza opzione è il collasso di un ammasso stellare, un gruppo di stelle che cadono tutte insieme. In quarto luogo, i buchi neri supermassicci potrebbero derivare da grandi ammassi di materia oscura. Questa è una sostanza che possiamo osservare attraverso il suo effetto gravitazionale su altri oggetti; tuttavia, non sappiamo da cosa sia composta la materia oscura perché non emette luce e non può essere osservata direttamente.

Buchi neri intermedi

Gli scienziati una volta pensavano che i buchi neri fossero di dimensioni piccole e grandi, ma la ricerca ha rivelato la possibilità che potessero esistere buchi neri di medie dimensioni o intermedi (IMBH). Tali corpi potrebbero formarsi quando le stelle in un ammasso si scontrano in una reazione a catena. Molti di questi IMBH che si formano nella stessa regione potrebbero poi cadere insieme al centro di una galassia e creare un buco nero supermassiccio.

Nel 2014, gli astronomi hanno scoperto quello che sembrava essere un buco nero di massa intermedia nel braccio di una galassia a spirale . E nel 2021 gli astronomi hanno approfittato di un antico lampo di raggi gamma per rilevarne uno.

"Gli astronomi hanno cercato molto duramente questi buchi neri di medie dimensioni", ha affermato in una dichiarazione (si apre in una nuova scheda) il coautore dello studio Tim Roberts, dell'Università di Durham nel Regno Unito. "Ci sono stati indizi della loro esistenza, ma gli IMBH si sono comportati come un parente perduto da tempo che non è interessato a essere trovato".

La ricerca, del 2018, ha suggerito che questi IMBH potrebbero esistere nel cuore delle galassie nane (o galassie molto piccole). Le osservazioni di 10 di queste galassie (cinque delle quali erano precedentemente sconosciute alla scienza prima di quest'ultima indagine) hanno rivelato l'attività dei raggi X comune nei buchi neri, suggerendo la presenza di buchi neri di massa solare compresa tra 36.000 e 316.000. Le informazioni provengono dallo Sloan Digital Sky Survey, che esamina circa 1 milione di galassie e può rilevare il tipo di luce spesso osservata proveniente dai buchi neri che raccolgono detriti nelle vicinanze.

Buchi neri binari: doppio guaio

Illustrazione artistica di un buco nero supermassiccio con un buco nero compagno in orbita attorno ad esso. (Credito immagine: Caltech-IPAC) (si apre in una nuova scheda)

Nel 2015, gli astronomi che utilizzano il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno rilevato le onde gravitazionali dalla fusione dei buchi neri stellari.

"Abbiamo un'ulteriore conferma dell'esistenza di buchi neri di massa stellare che sono più grandi di 20 masse solari, si tratta di oggetti che non sapevamo esistessero prima che LIGO li rilevasse", David Shoemaker, portavoce della LIGO Scientific Collaboration (LSC), detto in una dichiarazione (si apre in una nuova scheda) . Le osservazioni di LIGO forniscono anche informazioni sulla direzione di rotazione di un buco nero. Quando due buchi neri ruotano l'uno attorno all'altro, possono ruotare nella stessa direzione o in quella opposta.

Ci sono due teorie su come si formano i buchi neri binari. Il primo suggerisce che i due buchi neri siano in forma binaria all'incirca nello stesso momento, da due stelle che sono nate insieme e sono morte in modo esplosivo all'incirca nello stesso momento. Le stelle compagne avrebbero avuto lo stesso orientamento di rotazione l'una dell'altra, quindi lo avrebbero fatto anche i due buchi neri lasciati.

Secondo il secondo modello, i buchi neri in un ammasso stellare affondano al centro dell'ammasso e si accoppiano. Questi compagni avrebbero orientamenti di rotazione casuali rispetto l'uno all'altro secondo la collaborazione scientifica LIGO. Le osservazioni di LIGO sui buchi neri compagni con diversi orientamenti di spin forniscono prove più forti per questa teoria della formazione.

"Stiamo iniziando a raccogliere statistiche reali sui sistemi binari di buchi neri", ha affermato la scienziata LIGO Keita Kawabe del Caltech, che ha sede presso l'Osservatorio LIGO Hanford. "Questo è interessante perché alcuni modelli di formazione binaria di buchi neri sono in qualche modo favoriti rispetto agli altri anche adesso, e in futuro, possiamo restringere ulteriormente questo aspetto".

Fatti sul buco nero

  • Se cadessi in un buco nero, la teoria ha da tempo suggerito che la gravità ti distenderebbe come spaghetti, anche se la tua morte sarebbe avvenuta prima che tu raggiungessi la singolarità. Ma uno studio del 2012 pubblicato sulla rivista Nature (si apre in una nuova scheda) ha suggerito che gli effetti quantistici farebbero agire l'orizzonte degli eventi in modo molto simile a un muro di fuoco, che ti brucerebbe all'istante.
  • I buchi neri non fanno schifo. L'aspirazione è causata dal trascinamento di qualcosa nel vuoto, cosa che l'enorme buco nero sicuramente non è. Invece, gli oggetti cadono in essi proprio come cadono verso qualsiasi cosa che eserciti gravità, come la Terra.
  • Il primo oggetto considerato un buco nero è Cygnus X-1. Cygnus X-1 è stato oggetto di una scommessa amichevole del 1974 tra Stephen Hawking e il collega fisico Kip Thorne, con Hawking che ha scommesso che la fonte non era un buco nero. Nel 1990, Hawking ha ammesso la sconfitta.
  • Buchi neri in miniatura potrebbero essersi formati subito dopo il Big Bang. Questa rete in rapida espansione potrebbe aver compresso alcune regioni in minuscoli e densi buchi neri meno massicci del sole.
  • Se una stella passa troppo vicino a un buco nero, la stella può essere fatta a pezzi (si apre in una nuova scheda).
  • Gli astronomi stimano che la Via Lattea abbia da 10 milioni a 1 miliardo di buchi neri stellari, con masse circa tre volte quella del sole.
  • I buchi neri rimangono foraggio formidabile per libri e film di fantascienza. Dai un'occhiata al film "Interstellar", che faceva molto affidamento su Thorne per incorporare la scienza. Il lavoro di Thorne con il team degli effetti speciali del film ha portato gli scienziati a una migliore comprensione di come potrebbero apparire stelle lontane se viste vicino a un buco nero in rapida rotazione.

Risorse addizionali

Immergiti nel mistero dei buchi neri (si apre in una nuova scheda) con NASA Science. Guarda i video e leggi di più sui buchi neri (si apre in una nuova scheda) dal sito Hubble della NASA. Scopri di più sui buchi neri (si apre in una nuova scheda) con la National Science Foundation.

Bibliografia

Hubblesite: Buchi neri: l'inesorabile attrazione interattiva di Gravity (si apre in una nuova scheda): Enciclopedia. STScI Casa. Estratto il 6 maggio 2022.

Nasa. Immagina l'universo! (si apre in una nuova scheda) NASA. Estratto il 6 maggio 2022.

Boen, B. ( 2013, 29 agosto (si apre in una nuova scheda)). Buco nero supermassiccio Sagittario A*. Nasa. Estratto il 6 maggio 2022.

Chandra della NASA trova un membro intrigante di Black Hole Family Tree. (si apre in una nuova scheda) Osservatorio a raggi X Chandra. (2015, 25 febbraio). Estratto il 6 maggio 2022.

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