Cosa hanno a che fare gli uccelli con le stelle? Molto, si scopre.

Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e capo scienziato presso il COSI Science Center . Sutter è anche l'ospite di Ask a This Webman , We Don't Planet e COSI Science Now . Sutter ha contribuito con questo articolo a Expert Voices: Op-Ed & Insights di Space.com .

Penso che sia ora che tutti ammettano che i buchi neri sono fastidiosi. Là fuori, andare alla deriva per la galassia con i loro cugini molto più grandi in agguato al centro di quelle galassie, i buchi neri sono gli ultimi paradossi della natura, deridendo silenziosamente i nostri deboli tentativi di capirli.

A detta di tutti, i buchi neri non dovrebbero esistere e per molto tempo sono stati ignorati come semplici artefatti matematici, un fastidioso bug nell'altrimenti elegante meccanismo della relatività generale.

Ma poi, eccoli. [Nessuna fuga: tuffati in un buco nero (infografica)]

Un buco nella teoria

Il fisico tedesco Karl Schwarzschild è stato il primo a "scoprire" i buchi neri. Nel 1915, escogitò una soluzione per la relatività generale applicabile al caso semplice (cioè non rotante, non caricato, noioso ) di un oggetto perfettamente sferico incorporato in Questa Rete, altrimenti vuota. Anche se questo suona un po' idealizzato, l'impostazione è abbastanza vicina a scenari reali come il nostro sistema solare da poter essere abbastanza utile.

Ho messo "scoperta" tra virgolette perché Schwarzchild non è saltato fuori dalle trincee del fronte orientale (dove, pur non risolvendo equazioni incredibilmente complicate, stava combattendo i russi durante la prima guerra mondiale), esclamando di aver trovato un nuovo oggetto astrofisico. Ma sepolti nella sua matematica c'erano gli accenni di qualcosa di più oscuro.

Questi accenni prendono la forma di ciò che ora chiamiamo il raggio di Schwarzschild e la singolarità. Ad ogni oggetto è assegnato un raggio di Schwarzschild e quel numero è determinato dalla massa dell'oggetto. All'interno di questo raggio, il comportamento della gravità inizia a diventare un po' strano. Ma va bene, perché in quasi tutti i casi il raggio è molto, molto (molto, molto, molto) piccolo rispetto all'oggetto stesso, e rimane molto al suo interno. Ad esempio, il nostro sole è largo circa 870.000 miglia (1,4 milioni di chilometri) e vanta un raggio di Schwarzschild di 1,9 miglia (3 km).

Il fatto che la gravità si comporti in modo strano all'interno del raggio di Schwarzschild non è motivo di preoccupazione: in primo luogo, ci preoccupiamo solo della gravità all'esterno dell'oggetto e, in secondo luogo, sappiamo che altri processi fisici prenderanno il sopravvento e sommergeranno qualsiasi stranezza gravitazionale all'interno di quel raggio.

La relatività generale si comporta in modo più strano di tutti al centro di oggetti massicci, un luogo chiamato singolarità, dove le equazioni sviluppate da Schwarzschild per spiegare la natura della gravità semplicemente esplodono all'infinito e non sono affatto utili. Ma va bene anche così, perché è solo un bug di matematica. Non è che niente in natura possa davvero diventare così piccolo, giusto?

Destra??

Nell'oscurità

E se un oggetto potesse essere compresso così tanto, raggiungendo densità così ridicole, che il suo raggio di Schwarzschild fosse all'esterno, invece di essere sepolto al sicuro al centro, lontano da dove la sua matematica potrebbe causare problemi? Ebbene, sarebbe strano, perché in tal caso non ci sarebbero altri effetti fisici a soffocare la stranezza della gravità su questo confine.

In effetti, la gravità sarebbe così forte su questo confine che nulla, nemmeno la luce, potrebbe sfuggire. E qualsiasi materia che cadesse in una spirale impotente verso il suo destino nella singolarità infinitamente densa.

Se un tale oggetto esistesse, la singolarità e il raggio di Schwarzschild verrebbero promossi da oggetto matematico a oggetto fisico.

Avviso spoiler: è un buco nero.

Per decenni si è pensato che qualcosa, qualsiasi cosa , avrebbe impedito alle stelle di formare buchi neri. Ma dopo le scoperte di stelle nane bianche e stelle di neutroni, entrambe immensamente dense e i primi accenni al meccanismo di attivazione delle supernove, i buchi neri hanno iniziato a prendere piede come concetto.

Per quanto non dovrebbero esistere, se esistessero , avrebbero determinate proprietà reali, osservabili e verificabili. Quindi almeno la scienza può fare le sue cose, scartare questa pazza nozione e andare avanti con la sua vita.

E oh ragazzo, le prove hanno iniziato ad arrivare. Una massiccia stella morente, in orbita attorno a una compagna invisibile che attira così tanto la sua atmosfera da emettere potenti raggi X. Stelle al centro della Via Lattea in orbita attorno a un enorme oggetto nascosto. Potenti sorgenti radio emanate da galassie attive, con energie raggiunte solo attraverso l'immensa gravità accoppiata a una rotazione fantastica. E, più recentemente, il sottile sussurro delle onde gravitazionali che si infrangono sulla Terra.

L'inevitabile conclusione: i buchi neri sono reali.

Un problema singolare

Abbiamo fatto i conti con l'orizzonte degli eventi, il nome ora dato a un raggio di Schwarzschild esposto. La natura di This Web-time all'interno di quel confine diventa davvero funky, ma la natura fa molte cose funky, quindi dopo alcuni decenni di rimuginare su, gli scienziati hanno deciso che non era così male.

Ma la singolarità rimane il punto di densità infinita al centro di ogni buco nero. Quella parola infinito è una pillola difficile da ingoiare. Quando gli infiniti compaiono nella matematica, è un segnale che stiamo facendo qualcosa di sbagliato, che i nostri macchinari non sono all'altezza del compito. Ci sfugge qualcosa.

Non importa cosa, non possiamo indicare nessun'altra forza, effetto o pressione per fermare il catastrofico collasso della materia in una singolarità e ci abbiamo davvero, davvero provato. Difficile.

Ma sappiamo che i nostri modelli teorici (cioè la relatività generale) sono incompleti. Non c'è davvero una singolarità al centro di un buco nero. Ma semplicemente non comprendiamo la gravità forte su piccola scala. Questo è il dominio di una teoria quantistica della gravità completa, che non abbiamo decifrato nonostante decenni di tentativi. Difficile.

Quindi la domanda se i buchi neri esistano si riduce alla tua definizione della parola "esistere". I buchi neri come oggetti astrofisici? Sì, sembra che la natura possa creare perfettamente orizzonti degli eventi. I buchi neri come un quadro completo al 100% del modo in cui funziona la natura? Quelli di certo non esistono e alla fine verranno sostituiti da un'immagine più accurata. Un giorno.

Scopri di più ascoltando l'episodio "I buchi neri esistono?" sul podcast Ask A This Webman, disponibile su iTunes (si apre in una nuova scheda) e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Mandi per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter . Seguici su @Spacedotcom, Facebook e Google+. Articolo originale su questo Web.com.

Ir arriba