In questo breve documento si discute la scoperta dei buchi neri, la loro possibile formazione nell’universo, gli scienziati e gli astronomi che hanno contribuito alla loro scoperta, infine una rapida rassegna su alcune scoperte recenti su buchi neri, mini buchi neri, buchi bianchi, buchi verme.

Si dice buco nero una concentrazione di materia associata a un campo gravitazionale cosi intenso da far richiudere lo spazio tempo su se stesso; da un tale campo gravitazionale nulla potrà sfuggire neppure la luce. I buchi neri si hanno in concentrazioni di materia a densità molto elevate; cioè una quantità piccola di materia compressa a densità elevatissime; oppure il contrario, si ha questo fenomeno, nel caso in cui, la quantità di materia sia grandissima a una densità relativamente piccola.

Il primo a suggerire la possibile esistenza dei buchi neri fu John Michell (1724-1793) Geologo, Astronomo e sacerdote inglese; presento le sue idee relative all’esistenza di possibili “stelle oscure”; era il mese di Novembre dell’anno 1783. Michell fondava i propri calcoli sulla teoria della gravitazione universale di Newton e sulla teoria corpuscolare della luce; infatti egli supponeva che le particelle della luce erano anch’esse, come ogni altro oggetto della vita comune, gli oggetti evidenti e macroscopici, soggette alla gravità. Ole Rømer (astronomo danese, 1644-1710), aveva misurato la velocità della luce. Michell riusci a determinare quanto doveva essere grande un oggetto con la stessa densità del Sole per avere una velocità di fuga maggiore alla velocità della luce (il discorso è riferito alla velocità di fuga che deve avere un corpo celeste per sottrarsi all’azione gravitazionale di un buco nero): un oggetto del diametro 500 volte quello del Sole avrebbe una velocità di fuga > c. Se tali oggetti esistessero, la luce non potrebbe uscirne, ed essi sarebbero bui.

Il matematico e astronomo francese Pierre Simon de Laplace (1749-1827) arrivo nel 1796 alla stessa conclusione di Michell il quale affermo “se qualche corpo luminifero dovesse orbitare attorno a essi noi potremo, forse, dal moto di questi corpi orbitanti, inferire l’esistenza dei corpi centrali”. In altre parole, suggerì l’idea che i buchi neri possono essere scoperti molto facilmente qualora facessero parte di sistemi binari.

Nell’Ottocento la nozione dei buchi neri non fu presa molto in considerazione. Nel secolo scorso, quando gli astronomi compresero la teoria della relatività generale di Albert Einstein (1879-1955), capirono che esisteva un altro modo di produzione di buchi neri. Uno dei primi astronomi ad analizzare le implicazioni della teoria di Einstein fu Karl Schwarzchild.

La teoria della relatività generale spiega la forza di gravità come causa, come perché, si ha un incurvatura dello spazio-tempo. Schwarzchild calcolo matematicamente la geometria dello spazio-tempo attorno a una massa sferica, questi calcoli esprimono il fatto che ogni massa ha un raggio critico chiamato raggio di Schwarzchild; corrispondente a una distorsione dello spazio-tempo. Il raggio di Schwarzchild per un corpo celeste è dato dalla formula:

$R_s=(2GM)/c^2$ 

$G$ è la costante di gravitazione universale

$M$ è la massa del corpo celeste

$c$ è la velocità della luce nel vuoto

I calcoli di Schwarzchild dimostrarono che se un oggetto può essere compresso fino a occupare uno spazio sferico $R_s$, tali corpi sarebbero isolati dall’universo esterno diventando buchi neri. Le scoperte astronomiche degli anni 20 e 30 hanno permesso di conoscere nuovi corpi, quali le nane bianche e l’evoluzione stellare, in particolare quando una stella si spegne essa è destinata a contrarsi ancora, una tale contrazione può dare origine alla formazione di una stella di neutroni; agli inizi queste teorie non furono accettate, nel 1967 fu pero dimostrata l’esistenza delle stelle di neutroni grazie alla scoperta delle prime pulsar; tali scoperte riaccesero l’interesse per i buchi neri, poiché la stelle di neutroni sono destinate a trasformarsi in buchi neri.

Recenti studi teorici dimostrano che i buchi neri sono definiti da tre sole proprietà: la massa, la carica elettrica e il momento angolare. È probabile che i buchi neri siano dotati di un moto di rotazione e non abbiano carica. Si pensa oggi giorno che i buchi neri siano prodotti dall’esplosione di grandi stelle come supernovae; e qualsiasi residuo compatto di supernova di massa inferiore a tre masse solari poteva formare una stella di neutroni; se questo valore fosse maggiore di tre masse solari si avrebbe un buco nero. Se un buco nero ruotasse in orbita attorno a una stella, le strapperebbe materia formando un disco di materiale caldissimo; la temperatura nel disco diventerebbe talmente elevata da poter emettere raggi X, l’emissione dei raggi X è dovuta all’ assorbimento di materia stellare nel buco nero; ciò può rendere visibile il buco nero. Nel 1994 un sistema noto come V404 Cygni è diventato il migliore candidato a buco nero finora noto; esso è formato da una stella di circa 0,7 masse solari intorno a una sorgente di raggi X di circa 12 masse solari. Un buco nero isolato è nero e non rilevabile attraverso l’effetto di lente gravitazionale. Molte stelle dunque, come abbiamo detto in precedenza, dovrebbero terminare la loro vita come stelle di neutroni o buchi neri. Possono esistere buchi neri situati al centro di una galassie attive e i quasar costituenti, i buchi neri, la loro fonte di energia principale, tali corpi sono chiamati buchi neri di massa ultrastellare. Nel 1994 il telescopio Hubble scopri un corpo a forma di disco di materiale caldissimo orbitante nella galassia M87 (la galassia M87 è distante circa 15 milioni di parsec dalla nostra). Sono state studiate le velocità orbitali del disco ed esse costituiscono la prova decisiva che esso è soggetto al controllo gravitazionale di un buco nero di massa enorme. Sempre nell’ anno 1994 alcuni astronomi dell’università di Oxford hanno identificato un buco nero di massa stellare nel sistema V404Cygni; qui l’uomo a potuto “pensare” il buco nero con maggior precisione, provando che esso ha una massa di 12 masse solari ed è accompagnato da una stella di 0,7 masse solari. Questo prova l’esistenza dei buchi neri. Esistono oltre ai buchi neri veri e propri; dei mini buchi neri chiamati anche buchi neri primordiali, essi sono minuscoli buchi neri che posso essersi formati durante il Big Bang; non si ha la certezza che tali corpi microscopici (paragonabili al nucleo di un atomo), di grande massa (dell’ordine $10^11 Kg$) possano esistere realmente, ma sarebbe molto difficile dimostrare che non esistono (anche se la maggior parte dei teorici dubita l’esistenza dei mini buchi neri).

Questa ipotesi fu resa popolare negli anni settanta da Stephen Hawking il quale disse che tali oggetti devono evaporare fino ad esplodere dando origine alla radiazione di Hawking; si stima l’esplosione di questi corpi nei nostri giorni, cioè 15 miliardi di anni circa dopo l’esplosione cosmica; il fondo di raggi gamma è pero troppo debole da indurre a pensare che tali corpi possano esplodere oggi e in passato.

Altri buchi neri esistenti sono i buchi neri di Schwarzchild; cioè buchi neri non ruotanti e privi di carica elettrica, essi rappresentano il tipo più semplice di buco nero; inoltre un altro tipo di buco nero derivante da corpi privi di carica elettrica ma ruotanti a differenza dei buchi neri di Schwarzchild, sono i buchi neri di kerr; essi sono buchi neri nati dal collasso di una stella in rotazione, tali buchi neri sono forse i più corrispondenti a quelli reali, sono quelli diciamo più familiari; aventi una forma ad anello e con due orizzonti degli eventi distinti, (l’orizzonte degli eventi è quella superficie immaginaria attorno a un buco nero, la velocità di fuga dall’orizzonte degli eventi è pari alla velocità della luce); la rotazione del buco nero di kerr si forma nell’Ergosfera cioè una regione di trascinamento il cui confine tende a combaciare ai poli con l’orizzonte degli eventi, mentre e più lontano all’equatore, cioè la distanza tra ergosfera e orizzonte degli eventi è massima all’equatore e minima ai poli.

Altri tipi importanti, ma meno noti, di buchi sono i wormhole (i buchi verme), e i buchi bianchi. I wormhole sono dei veri e propri tunnel cosmici, essi rappresentano a livello intuitivo una “scorciatoia” da un punto dell’universo a un altro. Non si ha la certezza dell’esistenza di un wormhole, se esistessero tali tunnel cosmici creerebbero una serie di problemi, tra i quali anche il viaggio nel tempo. Molti fisici teorici dubitano dell’esistenza di tali tunnel, pensando che ci sia qualcosa nelle leggi fisiche che proibisca l’esistenza di tali buchi verme.

Un altro corpo celeste misterioso di cui vale la pena parlare è il buco bianco. I buchi bianchi sono un ipotetica controparte dei buchi neri, essi sono una regione dalla quale emergono materia ed energia entrando nell’universo. Anche sui buchi bianchi non si ha la certezza che essi possano esistere realmente, perché non sono mai stati identificati in modo certo; nonostante ciò diversi fisici e astronomi contemporanei ritengono che l’universo si sia formato da un buco bianco. Poco tempo dopo la scoperta dei quasar, si suggerì l’ipotesi che la violenta espulsione di energia associata a questi oggetti astronomici simili a stelle, potrebbe essere un esempio di attività dei buchi bianchi, anche se gli astronomi hanno rifiutato sempre questa idea. La materia che fuoriesce da un buco bianco ha un energia molto elevata tale da acquistare uno spostamento verso l’azzurro, trasformandosi in antimateria. Una congettura sostiene che i buchi bianchi siano l’altro estremo dei buchi neri, connessi da cunicoli spazio-temporale, un cunicolo spazio-temporale può essere considerato una sorta di metropolitana cosmica che collega due buchi neri o un buco nero e un buco bianco; tuttavia questa congettura è molto vaga. Riassumendo i buchi bianchi sono la perfetta controparte dei buchi neri, come abbiamo trattato da tali corpi niente può entrare ma da essi esce materia.

BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA.

• John Griblin Enciclopedia di Astronomia e Cosmologia Garzanti.

• http://it.wikipedia.org

• http://www.arrigoamadori.com/lezioni/ricerca.php  

• http://astrolab.altervista.org/  

• http://www.astronomia.com/