I BUCHI NERI – THE BLACK HOLES

1. I BUCHI NERI – THE BLACK HOLES Microsoft Progetto Docenti Applica le competenze acquisite: Lavoro di Gruppo di : • Antonietta Sorrentino – 14C • Marta Fontana – 15C

2. I BUCHI NERI

3. La storia • Nascita di una stella • Caratteristiche • Le prove sperimentali

5. La storia… Nel 1783 un docente di Cambridge, J.Michell, pubblicò nelle pagine del “Philosophical Transaction of the Royal Society of London” un saggio che sottolineava quali potessero essere gli effetti estremi del campo gravitazionale di una stella di enorme massa e densità..In quegli anni ci fu una speculazione di Pierre-Simon de Laplace,che espresse anch’egli, l’ipotesi che una stella di densità sufficientemente grande avrebbe avuto un campo gravitazionale tale da non permettere neanche alla luce di abbandonare la sua superficie.

6. Questa idea, formulata dai due scienziati sulla base delle teorie della gravitazione di Newton e sull’ipotesi corpuscolare della luce, fu ripresa agli inizi del nostro secolo, dopo la pubblicazione della teoria della Relatività Generale di Einstein, avvenuta nel 1916.questa teoria permise una più corretta descrizione della formazione e della struttura di questi particolari corpi celesti che, nel 1969 il fisico J.Wheeler definì “black holes”. Negli ultimi trenta anni l’uso di telescopi e di strumenti di ricerca più raffinati ha reso possibile a fisici come S.Hawking la formulazione di nuove ipotesi ancora più consistenti sull’esistenza e sulla struttura dei buchi neri.

8. What are Black Holes? •     A black hole is a super dense object that has an intense gravitational pull. There are two parts to a black hole, a singularity and a event horizon. • The event horizon is where the force of gravity becomes so strong that even light is pulled into the black hole

10. Nascita di un buco nero… L’ ultima fase dell’evoluzione di una stella, ha inizio quando,cessate la reazioni termonucleari al suo interno,l’astro si trova ad essere in condizioni fisiche sfavorevoli ad un’ulteriore ripresa delle reazioni di fusione di elementi successivi. La definitiva cessazione di produzione di energia nel nucleo rende instabile la struttura della stella, ora libera di contrarsi sotto la forza gravitazionale della sua enorme massa.Il tempo impiegato per raggiungere questa fase terminale e le modalità con cui essa si manifesta dipendono dalla massa del corpo celeste.

11. L’ultima fase della vita di una stella, caratterizzata dalla contrazione della sua materia può avere diversi sviluppi che dipendono anch’essi dalla massa iniziale. Il principio di esclusione del Pauli, operante tra gli elettroni di uno stesso atomo, evidenzia l’entità delle forze repulsive presenti nell’interazione di queste particelle: gli elettroni nello stesso istante devono possedere velocità differenti, tendenti ad allontanarsi l’uno dall’altro, la materia sarà dunque in grado di sostenersi sotto la pressione gravitazionale e di raggiungere un nuovo equilibrio bloccando la contrazione.In questo caso ci troviamo di fronte alla formazione di una nana bianca.

12. Un universitario indiano, Chandrasekhar, calcolò che per una stella di massa inferiore a 1,5 masse solari terminerebbe sempre con la formazione di una nana bianca,mentre per le stelle di massa superiore un’ulteriore compressione della materia costringe gli elettroni ad unirsi con i protoni del nucleo, formando nuovi neutroni, tale stato della materia è caratteristico delle stelle a neutroni.

13. Analizziamo l’ultimo e più drammatico caso, quando la contrazione gravitazionale va a caratterizzare l’evoluzione finale di una stella di massa enorme, l’evento del collasso è così drastico che avviene un’immane esplosione che libera enormi quantità di energia gravitazionale ed espande l’involucro esterno della stella lasciando al centro un nucleo caldo e denso.L’ulteriore collasso di questo nucleo diviene inarrestabile , la materia si contrae indefinitamente fino ad occupare volume zero, ed in uno stato di desità infinita avremo la singolarità: il centro di un buconero.

14. the Singularity • According to the General Theory of Relativity the Singularity is a point of infinite space time curvature. This means that the force of gravity has become infinitely strong at the center of a black hole. Everything that falls into a black hole by passing the event horizon, including light, will eventually reach the singularity of a black hole. Before something reaches the singularity it is torn apart by intense gravitational forces. Even the atoms themselves are torn apart by the gravitational forces.

16. Caratteristiche… L’elemento che più ci affascina nello studio di un buco nero è la sua particolare capacità di non lasciar sfuggire nulla dalla sua superficie, nemmeno la luce.Proprio da ciò il corpo celeste prende il suo nome,buco nero,un regione dello spazio che per un osservatore esterno appare oscura, priva di emissione elettromagnetica rilevabile. Questa osservazione introduce la domanda:come è fatto un buco nero , perché possiede un campo gravitazionale così intenso e quali sono le sue dimensioni? Una massa qualsiasi diversa da zero che si trovi ad occupare uno spazio uguale a zero e in una condizione di densità infinita: Densità = Massa / Volume (per Massa diversa da 0 e Volume =0) Nelle estreme vicinanze di un punto di densità infinita anche la forza del campo gravitazionale tenderà ad essere infinita, così come anche tenderà ad esserlo la velocità di fuga in quella zona del campo. Prendendo in considerazione superfici di sfere con il centro in quel punto, la velocità di fuga su quelle superifi diminuirà all’aumentare della loro distanza dalla singolarità(quindi per raggi sempre maggiori), sino a quando troveremo un raggio la cui superficie avrà velocità di fuga pari a quella della luce: questa superficie prende il nome di orizzonte degli eventi,ed il suo raggio si può calcolare con l’equazione di K. Schwarzschild. Raggio =2MG/c2 Dove M è la massa della singolarità G è la costante di gravitazione universale c2 è la velocità della luce al quadrato.

17. Formation of a Black Hole: Imagine a star which is much more massive than our sun, and which has a mass, called the critical mass, which is large enough to cause a black hole to form. What keeps this star from collapsing onto itself and becoming a black hole? The answer is that there is an intense pressure caused by nuclear reactions within the sun. When the fuel that feeds the nuclear reactions gets used up the massive star cannot support itself anymore. It then collapses to form a black hole.

18. Cool things about Black Holes: First of all, if you get close enough to a black hole you will see the back of your own head! This effect, called an Einstein ring, is caused by the intense gravity around a black hole. When you are near a black hole at certain distances the light that leaves from the back of your head will travel though space that is bent so much by gravity that it will enter your eyes.

19. Cool things about Black Holes:2 2. Another cool thing about black holes is that they might be able to destroy information. The destruction of information is not allowed by quantum mechanics, so Hawking concludes that the usual rules of quantum mechanics cannot apply for black holes!!

20. Evidence for the existence of Black Holes: This is an interesting problem. How do you prove the existence of something that cannot be observed by definition? There are actually many methods used to see if black holes really exist in our universe. The first method is to look for objects in our universe that have a lot of mass, but are very small. For example we can prove that there exists a black hole in an astronomical object called M87. This object weighs three billion times more than our sun, but takes up a volume no larger than our solar system.

21. Le prove sperimentali… • Possiamo considerare due fenomeni che vengono considerati come prove sperimentali dell’ esistenza dei buchi neri.

22. Individuazione delle cosiddette lenti gravitazionali. Se la luce proveniente da una stella o una galassia lontana trova lungo il suo percorso un buco nero una parte dei suoi raggi viene deviata per effetto gravitazionale.. Un osservatore terrestre avrà un’immagine sdoppiata del medesimo oggetto stellare:una associata ai raggi che provengono dalla stella, l’ altra associata ai raggi deviati dal buco nero, apparentemente provenienti da una sorgente virtuale.

23. Comportamento di alcune stelle doppie (stelle molto vicine che costituiscono un sistema legato gravitazionalmente). Se una delle due evolve fino a diventare un buco nero, essa diventerà una potentissima causa di attrazione gravitazionale, capace di risucchiare i gas più esterni della stella compagna.