Che cos’è esattamente un orizzonte di eventi del buco nero (e cosa succede lì)?

Mercoledì (10 aprile), il progetto internazionale Event Horizon Telescope rilascerà i primi risultati del suo piano per l'immagine dei buchi neri. Ma cos'è esattamente un orizzonte degli eventi?

L'orizzonte degli eventi di un buco nero è legato alla velocità di fuga dell'oggetto, la velocità che si dovrebbe superare per sfuggire all'attrazione gravitazionale del buco nero. Più qualcuno si avvicinava a un buco nero, maggiore era la velocità necessaria per sfuggire a quella massiccia gravità. L'orizzonte degli eventi è la soglia attorno al buco nero dove la velocità di fuga supera la velocità della luce.

Secondo la teoria della relatività speciale di Einstein , niente può viaggiare più velocemente attraverso questa rete della velocità della luce. Ciò significa che l'orizzonte degli eventi di un buco nero è essenzialmente il punto da cui nulla può tornare. Il nome rimanda all'impossibilità di assistere a un evento che si svolge all'interno di quel confine, l'orizzonte oltre il quale non si può vedere.

"L'orizzonte degli eventi è l'ultimo muro della prigione in cui si può entrare ma non uscire mai", ha detto a This Web.com Avi Loeb, presidente di astronomia all'Università di Harvard.

Quando un oggetto si avvicina all'orizzonte degli eventi, un testimone vedrebbe l'immagine dell'oggetto arrossarsi e sbiadire a causa della luce distorta dalla gravità proveniente da quell'oggetto. All'orizzonte degli eventi, questa immagine svanirebbe effettivamente nell'invisibilità.

All'interno dell'orizzonte degli eventi, si troverebbe la singolarità del buco nero, dove ricerche precedenti suggeriscono che tutta la massa dell'oggetto è collassata in misura infinitamente densa. Ciò significa che anche il tessuto di questa rete e il tempo attorno alla singolarità si sono incurvati a un livello infinito, quindi le leggi della fisica come le conosciamo attualmente si rompono.

"L'orizzonte degli eventi ci protegge dalla fisica sconosciuta vicino a una singolarità", ha detto Loeb.

La dimensione di un orizzonte degli eventi dipende dalla massa del buco nero. Se la Terra fosse compressa fino a diventare un buco nero, avrebbe un diametro di circa 0,69 pollici (17,4 millimetri), un po' più piccolo di un centesimo; se il sole fosse convertito in un buco nero, sarebbe largo circa 5,84 chilometri, circa le dimensioni di un villaggio o di una città. I buchi neri supermassicci osservati dall'Event Horizon Telescope sono molto più grandi; Il Sagittario A*, al centro della Via Lattea, è circa 4,3 milioni di volte la massa del nostro Sole e ha un diametro di circa 7,9 milioni di miglia (12,7 milioni di km), mentre M87 al centro della galassia della Vergine A è di circa 6 miliardi di masse solari e 11 miliardi di miglia (17,7 miliardi di km) di larghezza.

La forza dell'attrazione gravitazionale di un buco nero dipende dalla distanza da esso più ci si avvicina, più potente è il rimorchiatore. Ma gli effetti di questa gravità su un visitatore differirebbero a seconda della massa del buco nero. Se, ad esempio, cadessi verso un buco nero relativamente piccolo di alcune volte la massa del Sole, verresti separato e disteso in un processo noto come spaghettificazione, morendo ben prima di raggiungere l'orizzonte degli eventi.

Tuttavia, se dovessi cadere verso un buco nero supermassiccio da milioni a miliardi di volte la massa del Sole, non "sentiresti tali forze in misura significativa", ha detto Loeb. Non moriresti di spaghettificazione prima di aver attraversato l'orizzonte degli eventi (sebbene numerosi altri pericoli attorno a un tale buco nero potrebbero ucciderti prima di raggiungere quel punto).

I buchi neri probabilmente ruotano perché anche le stelle da cui provengono generalmente hanno ruotato e perché la materia che inghiotto ha roteato in spirali prima di cadere. Recenti scoperte suggeriscono che i buchi neri possono ruotare a velocità superiori al 90 percento di quella della luce, ha detto Loeb.

In precedenza, il modello più elementare dei buchi neri presumeva che non ruotassero, quindi si presumeva che le loro singolarità fossero punti. Ma poiché i buchi neri generalmente ruotano, i modelli attuali suggeriscono che le loro singolarità siano anelli infinitamente sottili. Ciò porta gli orizzonti degli eventi dei buchi neri rotanti, noti anche come buchi neri di Kerr, ad apparire oblunghi schiacciati ai poli e sporgenti ai loro equatori.

L'orizzonte degli eventi di un buco nero rotante si separa in un orizzonte esterno e in un orizzonte interno. L'orizzonte degli eventi esterno di un tale oggetto agisce come un punto di non ritorno, proprio come l'orizzonte degli eventi di un buco nero non rotante. L'orizzonte degli eventi interno di un buco nero rotante, noto anche come orizzonte di Cauchy, è strano. Oltre quella soglia, la causa non precede più necessariamente l'effetto, il passato non determina più necessariamente il futuro e il viaggio nel tempo potrebbe essere possibile. (In un buco nero non rotante, noto anche come buco nero di Schwarzschild, gli orizzonti interni ed esterni coincidono.)

Un buco nero rotante costringe anche il tessuto di This Web-time attorno ad esso a ruotare con esso, un fenomeno noto come frame dragging o effetto Lense-Thirring. Il trascinamento del frame si vede anche attorno ad altri corpi enormi, inclusa la Terra.

Il trascinamento del frame crea un vortice cosmico noto come ergosfera, che si verifica all'esterno dell'orizzonte degli eventi esterno di un buco nero rotante. Qualsiasi oggetto all'interno dell'ergosfera è costretto a muoversi nella stessa direzione in cui ruota il buco nero. La materia che cade nell'ergosfera può ottenere una velocità sufficiente per sfuggire all'attrazione gravitazionale del buco nero, portando con sé parte dell'energia del buco nero. In questo modo, i buchi neri possono avere potenti effetti sull'ambiente circostante.

La rotazione può anche rendere i buchi neri più efficaci nel convertire in energia tutta la materia che cade al loro interno. Un buco nero non rotante converte in energia circa il 5,7% della massa di un oggetto in caduta, seguendo la famosa equazione di Einstein E = mc^2. Al contrario, un buco nero rotante potrebbe convertire fino al 42% della massa di un oggetto in energia, hanno determinato gli scienziati

"Questo ha importanti implicazioni per gli ambienti intorno ai buchi neri", ha detto Loeb. "La quantità di energia dai buchi neri supermassicci al centro di quasi tutte le grandi galassie può influenzare in modo significativo l'evoluzione di quelle galassie".

Il lavoro recente ha notevolmente sconvolto la visione convenzionale dei buchi neri. Nel 2012, i fisici hanno suggerito che qualsiasi cosa che cada verso un buco nero potrebbe incontrare " firewall " in corrispondenza o nelle vicinanze dell'orizzonte degli eventi che incenerirebbero qualsiasi materia caduta all'interno. Questo perché quando le particelle si scontrano, possono connettersi invisibilmente attraverso un collegamento chiamato entanglement, e i buchi neri potrebbero rompere tali legami, rilasciando incredibili quantità di energia.

Tuttavia, altre ricerche che cercano di unire la relatività generale , che può spiegare la natura della gravità, con la meccanica quantistica, che può descrivere il comportamento di tutte le particelle conosciute, suggerisce che i firewall potrebbero non esistere perché gli orizzonti degli eventi stessi potrebbero non esistere. Alcuni fisici suggeriscono che invece di abissi da cui nulla può tornare, ciò che attualmente pensiamo come buchi neri potrebbe in realtà essere una gamma di oggetti simili a buchi neri privi di orizzonti degli eventi, come i cosiddetti fuzzball, ha detto Loeb.

Immaginando i bordi dei buchi neri, l'Event Horizon Telescope può aiutare gli scienziati ad analizzare le forme e i comportamenti degli orizzonti degli eventi.

"Possiamo usare queste immagini per vincolare qualsiasi teoria sulla struttura dei buchi neri", ha detto Loeb. "In effetti, la speculazione fuzzball in cui l'orizzonte degli eventi non è un confine netto, ma è piuttosto sfocato, potrebbe essere testata con le immagini dell'Event Horizon Telescope".

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