Perché è possibile vedere i buchi neri nello spazio profondo

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I buchi neri non sono effettivamente neri. Un oggetto astrofisico che emette radiazioni, sfugge immediatamente alla definizione di nero.

Molti di noi sono confusi dall’idea della relatività quando la incontriamo per la prima volta. Gli oggetti non si muovono solo attraverso lo spazio, ma anche attraverso il tempo, ed i loro movimenti attraverso entrambi sono inseparabilmente intrecciati nella trama dello spaziotempo. Inoltre, quando aggiungi la gravità nel mix, scopri che la massa e l’energia influenzano la curvatura dello spaziotempo in base alla loro presenza, abbondanza, densità e distribuzione, e che lo spazio-tempo curvo determina come la materia e l’energia si muovono attraverso di esso.

Se raccogli abbastanza massa in un particolare volume di spaziotempo, otterrai un oggetto noto come buco nero. Ogni buco nero è circondato da un orizzonte degli eventi: questo è il confine tra il punto in cui un oggetto potrebbe ancora sfuggire dalla forza gravitazionale del buco nero e dove ogni cosa cade irrevocabilmente verso la singolarità centrale.

Eppure, nonostante il fatto che nulla sfugge dall’interno dell’orizzonte degli eventi, i buchi neri non sono effettivamente neri.

Ed Ecco la spiegazione di questa affermazione.

Quando una stella abbastanza massiccia termina la sua vita, o due residui stellari abbastanza grandi si fondono, si può formare un buco nero, con un orizzonte di eventi proporzionale alla sua massa e un disco di accrescimento di materia che lo circonda. Quando il buco nero ruota, anche lo spazio fuori e dentro l’orizzonte degli eventi ruota: questo è l’effetto del trascinamento del frame, che può essere enorme per i buchi neri. – ESA / HUBBLE, ESO, M. KORNMESSER
Quando una stella abbastanza massiccia termina la sua vita, o due residui stellari abbastanza grandi si fondono, si può formare un buco nero, con un orizzonte di eventi proporzionale alla sua massa e un disco di accrescimento di materia che lo circonda. Quando il buco nero ruota, anche lo spazio fuori e dentro l’orizzonte degli eventi ruota: questo è l’effetto del trascinamento del frame, che può essere enorme per i buchi neri. – ESA / HUBBLE, ESO, M. KORNMESSER

Quando la Relatività Generale fu presentata per la prima volta al mondo nel 1915, rivoluzionò la nostra comprensione dello spazio, del tempo e della gravitazione. In precedenza, quando si considerava la teoria di Newton, lo spazio ed il tempo venivano considerati come entità assolute: era come se poteste mettere una griglia di coordinate sopra l’Universo e descrivere ogni punto con tre coordinate spaziali e una coordinata temporale.

La rivoluzione che portò Einstein fu duplice. Innanzitutto, queste coordinate non erano assolute, ma relative: ogni osservatore ha la propria posizione, quantità di moto e accelerazione e osserva un insieme unico di coordinate spazio-temporali distinte da tutti gli altri osservatori. Secondo, qualsiasi particolare sistema di coordinate non rimane fisso nel tempo, poiché anche gli osservatori a riposo saranno sospinti dal movimento dello spazio stesso. In nessun luogo questo è più evidente che in un buco nero.

I buchi neri sono noti per assorbire la materia e avere un orizzonte di eventi da cui nulla può sfuggire, e per cannibalizzare i suoi vicini. Ma questo non implica che i buchi neri succhino tutto, consumino l’universo o siano completamente neri. Quando qualcosa cade in un buco nero, emetterà radiazioni per tutta l’eternità. Queste radiazioni, con l’attrezzatura giusta, potrebbero anche essere osservabili. – RADIOGRAFIA: NASA / CXC / UNH / D.LIN ET AL, OTTICO: CFHT, ILLUSTRAZIONE: NASA / CXC / M.WEISS
I buchi neri sono noti per assorbire la materia e avere un orizzonte di eventi da cui nulla può sfuggire, e per cannibalizzare i suoi vicini. Ma questo non implica che i buchi neri succhino tutto, consumino l’universo o siano completamente neri. Quando qualcosa cade in un buco nero, emetterà radiazioni per tutta l’eternità. Queste radiazioni, con l’attrezzatura giusta, potrebbero anche essere osservabili. – RADIOGRAFIA: NASA / CXC / UNH / D.LIN ET AL, OTTICO: CFHT, ILLUSTRAZIONE: NASA / CXC / M.WEISS

Invece di visualizzare lo spazio come una rete fissa di strade tridimensionali, è forse più accurato visualizzare lo spazio come una passerella mobile. Non importa dove ti trovi nell’Universo, lo spazio sotto i tuoi piedi viene trascinato da tutti gli effetti gravitazionali in gioco. L’Universo in espansione fa in modo che gli oggetti non legati si allontanino l’uno dall’altro.

Al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, qualsiasi cosa viene attratto verso il buco nero, ma le collisioni e le interazioni elettromagnetiche possono accelerare quel materiale in una varietà di direzioni, anche incanalandolo lontano dal buco nero stesso. Una volta attraversato l’orizzonte degli eventi, tuttavia, nulla può più uscire. Lo spazio accelera verso la singolarità più veloce della luce. Sebbene sembri fantascienza, abbiamo effettivamente teorizzato l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Proprio come Schwarzschild predisse nel 1916, L’orizzonte degli eventi è realtà.

Nell’aprile del 2017, tutti gli 8 telescopi associati al telescopio Event Horizon puntarono a Messier 87. Questo è l’aspetto di un buco nero supermassiccio, dove l’esistenza dell’orizzonte degli eventi è chiaramente visibile. Solo attraverso il VLBI si è potuta raggiungere la risoluzione necessaria per costruire un’immagine come questa, ma esiste il potenziale per migliorarla un centinaio di volte. L’ombra è coerente con un buco nero rotante (Kerr). – EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.
Nell’aprile del 2017, tutti gli 8 telescopi associati al telescopio Event Horizon puntarono a Messier 87. Questo è l’aspetto di un buco nero supermassiccio, dove l’esistenza dell’orizzonte degli eventi è chiaramente visibile. Solo attraverso il VLBI si è potuta raggiungere la risoluzione necessaria per costruire un’immagine come questa, ma esiste il potenziale per migliorarla un centinaio di volte. L’ombra è coerente con un buco nero rotante (Kerr). – EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.

Questa è una proprietà della relatività che non è generalmente apprezzata. Spesso sentirai dire che nulla può muoversi più velocemente della velocità della luce, e questo è vero, ma solo se capisci cosa significa muoversiIl movimento deve sempre essere relativo a qualcos’altro; non esiste una cosa come il movimento assoluto. Nel caso del movimento relativo alla velocità della luce, si tratta di un movimento relativo alla struttura dello spazio stesso: relativo al movimento che una particella liberata dal riposo sperimenterebbe.

La materia e l’energia non possono muoversi più velocemente della luce, ma lo spazio stesso non ha tali restrizioni. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi, il tessuto dello spazio si muove più lentamente della velocità della luce; puoi ancora scappare dalla forza gravitazionale di un buco nero accelerando abbastanza velocemente. All’interno dell’orizzonte degli eventi, però, tutti i percorsi che la materia o la luce possono intraprendere, lo condurranno solo in un punto: la singolarità centrale.

Sia all’interno che all’esterno dell’orizzonte degli eventi, lo spazio scorre come una passerella mobile o una cascata, a seconda di come si desidera visualizzarlo. Nell’orizzonte degli eventi, anche se corressi (o nuotassi) alla velocità della luce, non ci sarebbe il superamento del flusso dello spaziotempo, che ti trascina nella singolarità al centro. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi, tuttavia, altre forze (come l’elettromagnetismo) possono spesso superare l’attrazione gravitazionale, permettendo a materia ed energia di sfuggire. – ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITÀ DEL COLORADO
Sia all’interno che all’esterno dell’orizzonte degli eventi, lo spazio scorre come una passerella mobile o una cascata, a seconda di come si desidera visualizzarlo. Nell’orizzonte degli eventi, anche se corressi (o nuotassi) alla velocità della luce, non ci sarebbe il superamento del flusso dello spaziotempo, che ti trascina nella singolarità al centro. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi, tuttavia, altre forze (come l’elettromagnetismo) possono spesso superare l’attrazione gravitazionale, permettendo a materia ed energia di sfuggire. – ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITÀ DEL COLORADO

Con questo in mente, potresti iniziare a pensare a quanto neri questi oggetti, i buchi neri, siano davvero. Se nulla di ciò che attraversa l’orizzonte degli eventi può più uscire, potresti pensare che è solo la materia che rimane fuori dall’orizzonte degli eventi che è sempre visibile. Che l’universo al di fuori dell’orizzonte degli eventi possa essere ancora visibile, ma l’orizzonte degli eventi stesso è una superficie completamente nera, priva di qualsiasi tipo di luce. Potresti pensare che, poiché nulla può uscire, i buchi neri non emettono nulla.

Se è quello che pensi, non sei il solo: questo è uno dei malintesi più comuni e popolari di tutti i tempi sui buchi neri. Ma se pensi davvero che i buchi neri siano completamente neri, e che non puoi mai vedere nulla che cada dentro, ci sono due cose che devi considerare.

Un’illustrazione di un buco nero attivo, uno che assorbe la materia e accelera una parte di esso verso l’esterno in due getti perpendicolari, è un eccellente descrittore di come funzionano i quasar. La materia che cade in un buco nero, di qualsiasi varietà, sarà responsabile di un’ulteriore crescita sia in termini di massa che di dimensioni del buco nero. Nonostante tutte le idee sbagliate che circolano, tuttavia, non c’è il “risucchio” totale della materia esterna. – MARK A. GARLICK
Un’illustrazione di un buco nero attivo, uno che assorbe la materia e accelera una parte di esso verso l’esterno in due getti perpendicolari, è un eccellente descrittore di come funzionano i quasar. La materia che cade in un buco nero, di qualsiasi varietà, sarà responsabile di un’ulteriore crescita sia in termini di massa che di dimensioni del buco nero. Nonostante tutte le idee sbagliate che circolano, tuttavia, non c’è il “risucchio” totale della materia esterna. – MARK A. GARLICK

1) Pensa alla materia che cade in un buco nero. I buchi neri crescono in massa ogni volta che qualcosa dall’esterno dell’orizzonte degli eventi attraversa l’orizzonte degli eventi e vi cade dentro. Anche se i buchi neri non succhiano effettivamente la materia, crescono quando le particelle si incrociano nella regione di non ritorno che li circonda. Se tu fossi la materia che è passata oltre orizzonte degli eventi, una volta che lo hai attraversato, è vero che non potresti tornare.

Ma cosa succederebbe se tu restassi fuori dall’orizzonte degli eventi e guardassi qualcun altro che vi cade dentro? Ricorda che lo spazio stesso è in movimento, che lo spazio e il tempo sono correlati e che i fenomeni descritti dalla relatività sono reali e devono essere considerati. All’orizzonte degli eventi, lo spazio si muove alla velocità della luce. Il che significa che, a qualcuno infinitamente lontano, il tempo all’orizzonte degli eventi non sembra più passare.
L’impressione di quest’artista raffigura una stella simile al Sole che viene lacerata dall’interruzione delle maree mentre si avvicina a un buco nero. Gli oggetti che sono già caduti in precedenza saranno ancora visibili, anche se la loro luce apparirà debole e rossa in proporzione alla quantità di tempo trascorso da quando hanno attraversato l’orizzonte degli eventi. – ESO, ESA / HUBBLE, M. KORNMESSER

Se ti trovassi ad osservare qualcosa cadere in un buco nero, vedresti la luce emessa da quel qualcosa diventare più debole, più rossa, e la sua posizione sarebbe asintotizzata verso l’orizzonte degli eventi. Se si potesse continuare ad osservare i deboli fotoni emessi, sembrerebbero essere distesi nello spazio e distesi nel tempo. Avrebbero sperimentato il redshift gravitazionale, con la luce emessa da loro che che si allunga, passando dal visibile all’infrarosso alle microonde, fino alle frequenze radio.

Niente scomparirà mai del tutto. Ci sarà sempre, infinitamente lontano nel futuro, la luce da osservare della caduta dei fotoni in un buco nero. Anche se i fotoni sono quantizzati, non c’è limite a quanto può essere bassa la loro energia. Con un telescopio sufficientemente grande e sensibile a lunghezze d’onda sufficientemente lunghe, dovresti sempre essere in grado di vedere la luce di qualsiasi cosa stia cadendo in un buco nero. Quando qualcosa cade là dentro, la sua luce non scompare mai completamente.

Un’illustrazione dell’energia del punto zero dello spazio stesso: il vuoto quantistico. È pieno di piccole fluttuazioni di breve durata, sulle quali gli osservatori che accelerano a ritmi diversi (o che esistono in regioni dove la curvatura dello spazio è diversa) non saranno d’accordo su quale sia l’energia più bassa (stato fondamentale) del vuoto quantistico. – NASA / CXC / M.WEISS
Un’illustrazione dell’energia del punto zero dello spazio stesso: il vuoto quantistico. È pieno di piccole fluttuazioni di breve durata, sulle quali gli osservatori che accelerano a ritmi diversi (o che esistono in regioni dove la curvatura dello spazio è diversa) non saranno d’accordo su quale sia l’energia più bassa (stato fondamentale) del vuoto quantistico. – NASA / CXC / M.WEISS

2) Pensa alla natura quantistica dello spazio al di fuori dell’orizzonte degli eventi. Se ti trovi in ​​uno spazio puramente vuoto, dove non c’è materia, energia o radiazione ad occuparlo, potresti pensare che tutti gli osservatori inerziali (non accelerati) concorderebbero su quali siano le proprietà di quello spazio. Ma se stai parlando dello spazio al di fuori di un buco nero, non è possibile.

Perché no? Due motivi, in tandem, lo assicurano:

  • il vuoto dello spazio perfettamente vuoto non è completamente vuoto, poiché contiene inevitabilmente fluttuazioni quantiche,
  • il fatto che il tessuto dello spazio stesso stia accelerando a velocità diverse a seconda della distanza dalla singolarità centrale.

Combina queste due cose e sorge una situazione ineludibile: osservatori diversi non saranno d’accordo su quale sia il vero stato di energia più bassa del vuoto quantistico vicino a un buco nero.

Un’illustrazione dello spaziotempo fortemente curvo, al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Man mano che ti avvicini sempre di più alla posizione della massa, lo spazio diventa sempre più curvo, portando infine a una posizione dall’interno della quale nemmeno la luce può sfuggire: l’orizzonte degli eventi. Il raggio di quella posizione è impostato dalla massa del buco nero, dalla velocità della luce e dalle sole leggi della Relatività Generale. Gli osservatori vicini al buco nero confrontandosi con osservatori lontani non sarebbero d’accordo su quale sia l’energia del punto zero del vuoto quantistico. – UTENTE PIXABAY JOHNSONMARTIN
Un’illustrazione dello spaziotempo fortemente curvo, al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Man mano che ti avvicini sempre di più alla posizione della massa, lo spazio diventa sempre più curvo, portando infine a una posizione dall’interno della quale nemmeno la luce può sfuggire: l’orizzonte degli eventi. Il raggio di quella posizione è impostato dalla massa del buco nero, dalla velocità della luce e dalle sole leggi della Relatività Generale. Gli osservatori vicini al buco nero confrontandosi con osservatori lontani non sarebbero d’accordo su quale sia l’energia del punto zero del vuoto quantistico. – UTENTE PIXABAY JOHNSONMARTIN

In una regione dello spazio in cui la curvatura è gravemente non piatta, il vuoto quantistico sembra essere in uno stato eccitato.

Perché? Perché la tua visione di ciò che appare piatto è diversa da quella di un osservatore vicino all’orizzonte degli eventi. Per convertire dalla sua percezione di piatto (che è curvo per te) al tuo fotogramma di riferimento, devi calcolare ciò che percepiresti diversamente se fossi nella sua posizione. Mentre lui vedono solo lo spazio vuoto, tu, da molto lontano, vedi copiose quantità di radiazioni che emanano dallo spazio curvo vicino all’orizzonte degli eventi.

L’orizzonte degli eventi di un buco nero è una regione sferica o sferoidale dalla quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Ma al di fuori dell’orizzonte degli eventi, si prevede che il buco nero emetta radiazioni. Il lavoro di Hawking del 1974 fu il primo a dimostrarlo e fu probabilmente il suo più grande successo scientifico. – NASA; DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.
L’orizzonte degli eventi di un buco nero è una regione sferica o sferoidale dalla quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Ma al di fuori dell’orizzonte degli eventi, si prevede che il buco nero emetta radiazioni. Il lavoro di Hawking del 1974 fu il primo a dimostrarlo e fu probabilmente il suo più grande successo scientifico. – NASA; DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.

Questo è ciò che è la radiazione di Hawking: la radiazione che osserveresti perché la tua percezione del vuoto quantistico è diversa nello spazio piatto piuttosto che nello spazio curvo. Questo è un modo più corretto di visualizzare la radiazione di Hawking rispetto alla spiegazione di Hawking delle coppie particella-antiparticella create vicino a un buco nero, dove uno cade e l’altro sfugge, per i seguenti motivi:

  • La radiazione di Hawking è composta quasi esclusivamente fotoni, non particelle o antiparticelle,
  • Le radiazioni di Hawking non provengono tutte dall’orizzonte degli eventi, ma da circa 10-20 raggi di Schwarzschild dell’orizzonte degli eventi,
  • se calcoli le energie delle coppie particella-antiparticella che sorgono vicino all’orizzonte degli eventi combinando la meccanica quantistica e la relatività generale, ottieni il giusto valore medio ma lo spettro energetico sbagliato; è necessario evitare la spiegazione di Hawking per ottenere la risposta giusta.
La radiazione di Hawking è ciò che inevitabilmente risulta dalle previsioni della fisica quantistica nello spazio-tempo curvo che circonda l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Questa visualizzazione è più accurata di una semplice analogia di coppia particella-antiparticella, poiché mostra i fotoni come la fonte primaria di radiazione piuttosto che le particelle. Tuttavia, l’emissione è dovuta alla curvatura dello spazio, non alle singole particelle, e non tutte riconducono all’orizzonte degli eventi stesso. – E. SIEGEL
La radiazione di Hawking è ciò che inevitabilmente risulta dalle previsioni della fisica quantistica nello spazio-tempo curvo che circonda l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Questa visualizzazione è più accurata di una semplice analogia di coppia particella-antiparticella, poiché mostra i fotoni come la fonte primaria di radiazione piuttosto che le particelle. Tuttavia, l’emissione è dovuta alla curvatura dello spazio, non alle singole particelle, e non tutte riconducono all’orizzonte degli eventi stesso. – E. SIEGEL

Ma questa è una vera forma di radiazione. Ha energie reali e una distribuzione di energia calcolabile per i suoi fotoni, e puoi calcolare sia il flusso che la temperatura di questa radiazione in base alla massa del buco nero. Forse controintuitivamente, i buchi neri più massicci emettono minori quantità di radiazioni a bassa temperatura, mentre i buchi neri di massa inferiore decadono più rapidamente.

Questo può essere compreso una volta che ti rendi conto che la radiazione di Hawking è la più forte dove lo spazio ha la curvatura più severa, e la curvatura spaziale più severa si verifica più vicino a una singolarità. Buchi neri di massa minore significano orizzonti di eventi di volume più piccolo, e questo significa più radiazioni Hawking, decadimenti più veloci e radiazioni di energia più elevata da cercare. Con la giusta lunghezza d’onda, un telescopio di grande diametro, potrebbe essere in grado di osservare questo fenomeno, un giorno.

Poiché i buchi neri perdono massa a causa della radiazione di Hawking, la velocità di evaporazione aumenta. Dopo un tempo sufficiente, viene rilasciato un brillante lampo di “ultima luce” in una corrente di radiazione di corpo nero ad alta energia che non favorisce né la materia né l’antimateria. – NASA
Poiché i buchi neri perdono massa a causa della radiazione di Hawking, la velocità di evaporazione aumenta. Dopo un tempo sufficiente, viene rilasciato un brillante lampo di “ultima luce” in una corrente di radiazione di corpo nero ad alta energia che non favorisce né la materia né l’antimateria. – NASA

Un oggetto astrofisico che emette radiazioni, sfugge immediatamente alla definizione di nero: è nero qualcosa che è un assorbitore perfetto e emette radiazioni zero. Se stai emettendo qualcosa, non sei nero.

Questo vale anche per i buchi neri. L’oggetto più perfettamente nero di tutto l’universo non è veramente nero. Piuttosto, emette una combinazione di tutte le radiazioni provenienti da tutti gli oggetti che vi sono caduti insieme alla radiazione di Hawking a temperatura ultra-bassa ma sempre presente.

Se hai mai pensato che i buchi neri siano davvero neri, sappi che non lo sono. proprio come l’idea che i buchi neri attraggano tutto al loro interno e a quella che i buchi neri un giorno consumeranno l’universo, sono i tre più grandi miti sui buchi neri.

Fonte: Forbes

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