Monica Colpi Nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri 11 gennaio 2012



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Monica Colpi – Nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri
11 gennaio 2012
Buonasera a tutti; è veramente un piacere per me essere qui in questa iniziativa dell'universo in fiore; quindi prima vi parlerò delle stelle di neutroni e delle nane bianche ma soprattutto dei buchi neri e in realtà di una nuova finestra che speriamo si potrà aprire nei prossimi 10/15 anni cioè l'osservazione esattamente di queste straordinarie sorgenti cosmiche non attraverso la luce visibile ma attraverso la rivelazione delle onde gravitazionali che vi spiegherò cosa sono e mi avvantaggio anche delle lezioni di Fabio Pizzolato, ho già visto la sua presentazione, ho scorso e quindi posso appoggiarmi a quello che voi avete già sentito e continuare in questo viaggio.
L'universo in fiore: cos’è più bello di queste immagini meravigliose, di queste quattro nebulose planetarie? qui cosa vediamo? vediamo la nascita di una nana bianca; ecco questo punto caldo e luminoso che si trova al centro del gas caldo e ionizzato dalla luce di questa piccola stellina che non è altro che il nucleo di una stella che sta per morire, sta per rilasciare il suo inviluppo stellare, disperdere tutto il gas di idrogeno che lo avvolgeva e che una volta era parte della stella; questo gas si disperderà nel mezzo interstellare e nascerà quello che noi abbiamo chiamato una nana bianca che vi descriverò e vi ha già un po' descritto Fabio.
Questa è una altra immagine bellissima di un insieme di nane bianche: questi piccoli puntini luminosi e caldi che coesistono insieme ad un fondo di stelle, siamo all’interno di un ammasso globulare della nostra Via Lattea e quindi abbiamo, con il telescopio Hubble è possibile vedere queste stelle che si sono spogliate di quei colori meravigliosi dell’inviluppo di idrogeno e si spegneranno lentamente nel tempo nell'arco di qualche centinaia di milioni di anni.
Le stelle nane bianche sono piccolissime; perché sono piccolissime ?

Perché hanno una massa che non è dissimile a quella del Sole, forse una frazione 0,7 / 0,8 volte la massa del Sole ma la cosa straordinaria è che le loro dimensioni sono simili a quelle terrestri, sono veramente un puntino e qui in scala ho riportato il Sole, una stella un po' più grande e più massiccia del Sole e qui c'è questa nana bianca che ruota attorno a questa stella.

Fabio vi ha detto che queste stelle hanno un loro equilibrio nel senso che la gravità che tiene insieme i nuclei e gli elettroni di cui sono formate è contrastata da una pressione che è una pressione - è un concetto difficile da esprimere - è la pressione di degenerazione degli elettroni cioè non è il gas caldo che tiene e contrasta la gravità ma quando io ho gli elettroni che sono gli elementi che costituiscono parte dell'atomo di cui noi tutti siamo fatti, quando li vogliamo avvicinare a distanze tali per cui queste densità che sono un milione di volte la densità della nostra terra, loro sviluppano dell'energia cinetica perché non vogliono condividere lo spazio con degli altri elettroni; è come se ognuno di voi non accettasse che qualcuno non si sedesse nella stessa sedia, volete separarvi perché non è accettabile condividere delle proprietà quantistiche della materia in uno stesso stato e quindi questa forma di repulsione è quella che sostiene queste nane bianche.
Questa invece è un evento che determina la nascita di una cosiddetta stella di neutroni; l'avete riconosciuta è una supernova, un'esplosione straordinaria perché nell'arco di qualche mese una singola stella brilla quanto l'intera galassia cioè l'intera luce emessa da 100 miliardi di stelle e in seguito alla nascita quello che noi osserviamo con i nostri telescopi è quello che è un resto di supernova e ancora una volta la nube che circonda un piccolo nocciolo ma ancora più denso di quanto non lo sia una stella di neutroni; ancora a livello osservativo vi mostro questa - l'avete riconosciuta - se amate l'astronomia.
La nana bianca nasce in modo quiescente cioè disperde il suo inviluppo senza nessuna esplosione, praticamente grazie ai venti stellari rimane esposto il nocciolo nudo della stella progenitrice mentre la stella di neutroni nasce in un collasso della supernova e quindi quello che voi vedete - questa è un'immagine straordinaria - questa è una piccola stella di neutroni; come qui abbiamo una nana bianca con il suo inviluppo e poi la rivediamo nuda perché ormai è disperso tutto, qui abbiamo la stella di neutroni che non è visibile in questa immagine ma si trova al centro di questo gas che è ancora una volta l’inviluppo stellare che è stato espulso mentre qui dopo - diciamo la vita media di questi sviluppi è dell'ordine di 10.000 anni - dopo 10.000 anni anche questo gas si dissolve nel mezzo interstellare e rimane una piccola sorgente luminosa - questa non è nell'ottico ma in banda X questa in realtà è in ottico - e rimane, è stata per caso è l'unico caso in cui noi riusciamo ad osservare; guardate la piccolezza di questa immagine: questa è proprio una piccola stella di neutroni che è nata dall'esplosione di supernova.
Che cos'è una stella di neutroni?

è un oggetto molto esotico ma non esotico quanto il buco nero è una stella che ha una massa pari al Sole quindi è avere concentrato la massa presente nel Sole ma non in 750.000 km ma in 10 km quindi immaginate che un intero astro come il Sole è confinato all'interno di una sfera di 10 km; questo vuol dire in altri termini che la densità di questa stella è pari alla densità che si trova all'interno del nucleo di un atomo. Infatti è semplicissima perché è un gigantesco nucleo di neutroni; insieme ai protoni, i neutroni costituiscono le due particelle elementari di cui sono fatti tutti i nuclei atomici, di cui siamo fatti noi; soltanto che qui siamo in condizioni veramente estreme perché invece di avere come l'idrogeno un protone, come l’elio ha 2 neutroni e 2 protoni, come tutti gli altri elementi come l'ossigeno, il carbonio hanno un numero di protoni uguale ai neutroni e si procede nella scala periodica degli elementi qui abbiamo 10^57 - vuol dire un 1 seguito da 57 zeri - abbiamo quindi un numero elevatissimo di soli sostanzialmente neutroni che stanno uniti grazie alla forza di gravità all'interno di 10 km e qui è proprio un'immagine semplice ma abbastanza realistica di quello che è in sostanza una stella di neutroni: un gigantesco nucleo dove qui i neutroni sono molto probabilmente fluidi e superconduttori circondati da una crosta di nuclei terrestre come se fosse la nostra crosta terrestre però all'interno la densità è la densità di un nucleo e allora se siete familiari con l'esponenziale è un 10^14 contro 10 ^0 che è la densità media della materia.


Queste stelle si formano quando una stella massiccia perde il suo equilibrio e questo è un equilibrio ritrovato perché stiamo parlando di una stella, vuol dire che la gravità che si esercita tra questi 10^57 neutroni è controbilanciata da una pressione e che cos'è questa pressione? La stessa pressione che in termini quantistici tiene stabile una nana bianca solo che invece di avere gli elettroni che contribuiscono alla stabilità qui abbiamo solo neutroni quindi i neutroni anche loro sono particelle che non amano condividere troppo lo spazio e quindi generano questa pressione di degenerazione, questa pressione quantistica e questa stella è una stella stabile che può vivere per l'intera storia dell'universo o a ancora di più.
Se questa stella di neutroni, come anche nel caso della nana bianca, si trova in un sistema binario con una stella compagna bene questa stella può - diciamola ordinaria diciamo magari gigante che sta perdendo massa - può condividere della massa può scambiare massa con la stella di neutroni e questa stella di neutroni accrescendo cioè raccogliendo la materia che viene fornita dalla compagna crea un disco di gas caldissimo che emette in banda X e che sarà in qualche modo l'argomento che vi racconterà Tommaso Belloni e in parte anche Anna Wolter perché sono concetti molto simili quindi io salto questa parte ma ricordatevi che queste stelle di neutroni non solo si possono osservare nei resti di supernova, non solo si possono osservare isolate ma anzi il modo migliore per andare a caccia di stelle di neutroni nell'universo, nella nostra galassia, è proprio quando esse vivono in questi sistemi binari, acquistano, mangiano materia dalla stella compagna questo gas si scalda si illumina e come capite diventerà una sorgente di emissione molto molto luminosa e queste sorgenti possono essere molto più luminosa del Sole ma non nell'ottico ma nella banda X dello spettro elettromagnetico.
E noi sappiamo molto di queste stelle di neutroni grazie proprio alla conoscenza di questi sistemi che saranno l'argomento di Tomaso però - e questa è stata una scoperta veramente inattesa - nessuno sapeva che le stelle di neutroni potevano essere delle straordinarie sorgenti radio.
Le stelle di neutroni erano state ipotizzate nello studio dell'evoluzione delle stelle ma nessuno in realtà sapeva bene come osservarle infatti è stata una grande scoperta dell'astrofisica il poterle osservare come sorgenti di raggi X ma la scoperta storica delle stelle di neutroni avviene nel 1967 ad opera di una importante osservazione radioastronomica; Jocelyn Bell era una studentessa di università in Inghilterra ed era stata appena costruito un radiotelescopio che aveva il principale compito di studiare i quasar che erano stati scoperti negli anni precedenti che sono dei nuclei di galassie che brillano in radio e lei fu così attenta a scoprire che nel segnale radio che veniva registrato su carta c'era qualcosa di strano.

Molto spesso quando si osserva in radio ci sono le interferenze radio cioè dei disturbi nel segnale che sono dovuti alle attività umane, ai telefonini diciamo, ai forni a microonde e si riconoscono perché hanno delle strutture un po' caotiche e quindi si sa che questo segnale è spurio e si deve togliere per individuare magari un potenziale segnale che viene dal cosmo; lei ebbe in qualche modo l'accortezza di individuare questa come un pattern di interferenza mentre questa qualcosa di più strano, più ordinato, vedete se state un poco attenti; venne registrato questo evento e dopo qualche giorno racconta che decise di fare scorrere la carta in modo più lento per vedere di capire che cosa c'era in questo segnale che non è altro che un inchiostro di un pennino che sta registrando il segnale elettromagnetico raccolto da radiotelescopio e quello che vede è che in realtà questo segnale è molto ordinato perché si osservano dei picchi di intensità intervallati da momenti in cui non c'è segnale e che sembrano essere davvero ripetitivi; questo segnale si ripeteva ogni secondo circa e andò a parlare al suo professore che la seguiva nella sua tesi di dottorato che era Hewish e per lungo tempo si devono accertare che questo segnale prima di tutto non venga da regioni limitrofe, dall’intorno della casa insomma e poi però non ne riescono a venire a capo e capire significato. Voi pensate : vedete un impulso radio emesso attorno alla banda dei 500 MHz che si ripete; che cos'è? ci vuole un’enorme fantasia per capire cosa possa essere.

Mantengono questa scoperta in stretto riserbo per alcuni mesi anche se gli astronomi di Cambridge vengono avvertiti, l'illustre Fred Hoyle viene avvertito di questa scoperta perché in effetti escluse delle potenziali sorgenti di disturbo nell’intorno si doveva capire quale fosse la ragione e in qualche modo la comprensione di questo evento avviene quando, sempre Jocelyn Bell, trova che guardando il cielo e facendo una copertura del cielo piuttosto completa vede un segnale simile, ad un intervallo di ricorrenza diverso , non mi ricordo se maggior o minore, ma all’incirca di 1 s, un secondo segnale che viene da una diversa direzione e quindi questo fu la ragione per cui si pensò che questo che questo segnale avvenisse fuori dal sistema solare perché la prima cosa che loro pensarono era che fosse un segnale magari di una civiltà extraterrestre però è chiaro che avere un unico segnale in un'unica direzione si poteva pensare che lo fosse anche se è sempre molto difficile da accettare ma quando ne ho due di segnali vorrebbe dire che nell'arco di un mese due civiltà in due parti diverse dell'universo si sono messe simultaneamente, a questo punto, in contatto con la terra; questo ha una probabilità nulla sostanzialmente di accadere e quindi hanno cominciato a pensare che fosse una sorgente cosmica che fosse posta ad una distanza tipica delle stelle nella nostra Via Lattea e che doveva essere molto piccola perché se io ho segnale che ricorre dopo ogni secondo vuol dire che se lo immagino come un corpo celeste in rotazione una rotazione di un corpo celeste e quindi di un corpo immenso che avviene ogni secondo deve essere un corpo molto piccolo come una nana bianca perché altrimenti se io faccio ruotare un corpo troppo velocemente si spacca per azione delle forze centrifughe, se ruota troppo rapidamente non riesce a mantenersi in equilibrio.
Mentre per una nana bianca 1 s è al limite della possibile distruzione della stella per azione della forza centrifuga, per una stella di neutroni che invece di avere un raggio di 10.000 km ha un raggio di 10 km una stella come il Sole confinata in 10 km può facilmente ruotare con un periodo di rotazione di 1 s invece che di ventiquattr'ore come la terra, senza alterare la sua struttura; di conseguenza l'ipotesi vincente fu che le stelle di neutroni si manifestano attraverso questo impulso radio e l'immagine pittorica che è qui riportata vuole dare un'idea di che cosa sta succedendo e quale sia la causa dell'emissione.

Io ho una stella di neutroni in rapidissima rotazione e l'idea che sta alla base dell'emissione radio è la seguente : tutte le stelle e pianeti sono dotati anche di un campo magnetico perché ci sono delle correnti interne che generano questo campo magnetico quindi se io ho una sorgente cosmica simile a tutte le sorgenti cosmiche note come il Sole e pianeti possiedono un campo magnetico beh anche queste stelle di fatto sono il relitto di una stella che possedeva un campo magnetico e non posso liberarmi del campo magnetico, di conseguenza questa è l'immagine delle linee di forza di un campo magnetico che circonda la stella esattamente come il campo magnetico terrestre circonda la terra; se io combino l'azione di un campo magnetico intensissimo con una rapidissima rotazione bene è possibile che si creino degli intensissimi campi elettrici alla superficie di questa stella che riescono a strappare elettroni e ioni carichi, un plasma che oscilla coerentemente in banda radio e che emette un getto luminoso in una direzione, quella dell'asse magnetico della stella, per cui è un processo che crea un getto quello che noi chiamiamo un getto, un getto di plasma, di particelle che noi osserviamo anche in altre bande dello spettro elettromagnetico sono elettroni ultrarelativistici ma le oscillazioni coerenti di questo plasma alla superficie della stella di neutroni generano un debole segnale radio che però riusciamo a osservare e questa fu una scoperta veramente straordinaria perché non si pensava ad una stella di neutroni come un rotatore così… Una stella rapidamente rotante in grado di lanciare questo getto che noi vediamo in ottico a volte in X ma lo vediamo spesso in radio, la banda dello spettro elettromagnetico più naturale per osservare queste stelle di neutroni.


Ci sono delle correnti interne che sostengono questo campo magnetico, ci sono moti ordinati di corrente elettronica anche se il corpo è globalmente neutro; tutti i corpi celesti sono globalmente neutri nel senso che c'è un numero di cariche positive uguale al numero di cariche negative ma se ci sono dei campi elettrici come in un filo… sono differenze di potenziale che mantengono e sostengono queste correnti; queste correnti posso essere sostenute per un tempo scala uguale al tempo dell'universo sembra non decadano mai. E quindi riescono a sostenere per lunghissimo tempo questo campo magnetico e questa fu veramente una sorpresa straordinaria.

Queste sono stelle di neutroni isolate contrariamente a queste che si trovano nei sistemi binari; ci sono tanti tipi di emissione che sono sempre associate alle stelle di neutroni ma che riguardano ambienti diversi: qui la stella non emette un fascio radio perché sarebbe, anche se lo emettesse, disperso dal gas intorno cioè sarebbe assorbito ma invece in questo caso la stella isolata non è circondata da materia e riesce a generare questo impulso.

Ora abbiamo più di 2000 stelle di neutroni nella nostra galassia che osserviamo, che gli astronomi radio osservano e qui non voglio stare molto su questo diagramma però questo diagramma - non so se siete familiari con i diagrammi in astrofisica - ma qui è riportato il periodo perché lo abbiamo identificato come periodo di rotazione – la stella sta ruotando - e siccome grazie a questo effetto faro ogni volta che il getto radio punta nella direzione della terra noi lo osserviamo e ogni volta che passa noi stabiliamo esattamente il periodo di rotazione perché abbiamo un faro esattamente è un faro cosmico; quindi noi sappiamo il periodo e la cosa straordinaria è che le stelle di neutroni possono ruotare fino a un periodo di rotazione di 1 ms un millesimo di secondo quindi pensate una stella come il Sole come massa, confinata in un raggio sferico di 10 km che sta ruotando a 1 ms; io non ho la percezione di quando trascorre 1 ms però è così perché sono così dense, così compatte che riescono a ruotare molto rapidamente quindi questi puntini rappresentano nel piano periodo tante stelle di neutroni viste come pulsar: ogni puntino è una stella di neutroni; però nell'asse delle ordinate si riesce a misurare il fatto che queste stelle di neutroni rallentano, nel senso che perdono, il loro periodo diventa sempre più lungo e questa è ritenuto essere dovuto al fatto che proprio emettendo questi oggetti queste particelle relativistiche - qui semplifico moltissimo - viene persa energia rotazionale e quindi rallentano; è una proprietà universale di tutte le stelle di neutroni che noi osserviamo come pulsar . Il cambiamento del periodo mi dice di quanti secondi rallenta per secondo e guardate questo numero: 10^(-15) 10^(-20) quindi uno 0, e poi 15 zeri e poi un 1; quindi vuol dire che i radioastronomi sanno misurare il periodo di rotazione di una stella di neutroni con un'accuratezza che posso estendere fino almeno alla decima se non alla quattordicesima cifra decimale cioè io di una stella di neutroni come pulsar posso sapere che il suo periodo è 3,12345791015 con un'accuratezza fino alla quattordicesima cifra decimale alcune, non tutte, sono degli orologi veramente straordinarie; ritornerò su questo punto in futuro.
Cos'è un buco nero?

Il concetto di buco nero storicamente si sviluppa in ambito stellare grazie alla consapevolezza che le stelle di neutroni non possono esistere al di sopra di una certa massa limite ve lo ha detto Fabio la scorsa lezione cioè quello che abbiamo capito studiando l'evoluzione stellare e che vi ha accennato Fabio e che voi tutti sapete è che se io parto da una nube interstellare che mi produrrà magari un migliaio o 100.000 stelle, le stelle di piccola massa, le stelle come il Sole o addirittura otto volte più massicce del Sole muoiono come nane bianche ma le stelle, sono più rare, che hanno masse più grandi di 10 volte la massa del Sole come voi sapete diventano delle stelle di neutroni, quando muoiono perché hanno esaurito il loro combustibile nucleare possono diventare stelle di neutroni; quindi una stella di facciamo 15 masse solari diventa una stella di neutroni di una massa solare e qualche cosa e quindi vuol dire che dal passaggio da qui a qui ha perso quasi tutta la sua massa ha perso 14 masse solari e mi dà come relitto una stella di neutroni – qui è proprio indicato come pulsar radio - che io osservo come pulsar radio di una massa solare; ma noi sappiamo che durante le fasi evolutive e durante l'onda d'urto che ha prodotto l'esplosione di supernova ci si sbarazza di quasi tutta la massa, rimane solo il nocciolo della stella solo che uno si chiede però quello che la relatività generale ci dice è che stelle di neutroni più grande di tre masse solari non possono esistere in natura cioè la gravità è così intensa che non posso accomodare una stella di cinque masse solari e farla diventare una stella di neutroni non ce la fa, nemmeno la pressione dei neutroni riesce a sostenerla vince la gravità; allora quello che si è pensato è che se questa via non è praticabile la seconda possibile via è la formazione di un buco nero.

Perché una stella che ha 40 masse solari non è detto che perda 39 masse solari durante la sua vita per lasciare una massa solare di stella di neutroni dovrebbe in qualche modo sapere già come muore senza avere percorso l'intera vita cioè ci dovrebbe essere un processo fisico così ben organizzato ed orchestrato per cui tutte le stelle di 100 masse solari, di 50 massa solare, di 10 masse solari sanno di morire e diventare una stella di neutroni; questo è un processo troppo ben orchestrato, la natura dipende da tanti fattori; la massa può non essere persa con tutta questa entità quindi per esempio una stella di 80 masse solari ne può perdere 50, diciamo ne può perdere una sessantina e poi cosa fa? Non può diventare una stella di neutroni deve diventare un buco nero.
Questa è un'idea che fu contrastata dei più grandi astronomi della storia in particolare Sir Arthur Eddington il quale non voleva assolutamente credere che ci fosse come relitto stellare un buco nero; perché non si voleva pensare un buco nero? Pensava: ma chissà… magari la stella ruota molto rapidamente e perde tutta la massa, la natura crea un cammino orchestrato da evitare un oggetto così esotico diciamo come un buco nero.
I buchi neri allora sono reali? e se sono reali li possiamo vedere?
Sono il prodotto astratto della relatività generale; cioè la relatività generale ci dice che un buco nero è l'oggetto più semplice in natura e un oggetto semplice è bello per sua natura proprio perché richiede un numero minimo di parametri che è per ora, per quello che sto dicendo ora, la massa; quindi datemi una massa e io vi dico che cos'è un buco nero. Un buco nero è una massa, un Sole, una terra, una galassia confinata in un volume nullo: veramente un oggetto esotico. Volume nullo vuol dire che ha densità infinita perché se io ho una massa, la densità è la massa diviso volume e il volume è nullo la densità è infinita; spesso a questo concetto si attribuisce il concetto di singolarità cioè una densità infinita quindi è una cosa singolare, è una vittoria della gravità su tutte le forze presenti in natura.

Quindi diciamo sembra un concetto astratto, un oggetto che ha densità infinita vuol dire che magari io posso vedere questa zona di gravità infinita ma questo invece è proibito della gravità generale perché un buco nero dove appunto … c'è questa singolarità passo… questa singolarità cioè se questa massa c'è ed è confinata in un volume piccolissimo, piccolissimo in termini macroscopici però comunque se la natura ha prodotto un buco nero dalla morte di una stella avevo tutte le particelle elementari, queste particelle elementari sono state confinate in un volume piccolissimo; allora ad un certo punto queste particelle elementari dovranno mostrare la loro natura quantistica ma nonostante loro la mostrino non hanno modo di contrastarla la gravità; quindi quello che uno si può immaginare che quando ci sarà questa singolarità in realtà dovremo descriverla attraverso una fisica che non abbiamo che si chiama gravità quantistica cioè combinare la gravità con la meccanica quantistica che descrive le proprietà della materia microscopica; questa teoria non c'è ancora e quindi tutti immaginano che questa singolarità sia effettivamente una mancanza di conoscenza perché la nostra descrizione della natura è incompleta quando si combina la gravità con il mondo microscopico; nonostante questo il buco nero è un oggetto macroscopico che però non osserviamo direttamente perché sempre la relatività generale ci dice che è circondato da quello che viene chiamato un orizzonte degli eventi voi dovete immaginare sostanzialmente che il buco nero, cioè questa singolarità dove è confinata tutta la massa della stella o comunque una massa qualsivoglia, è circondata da una regione spazio-temporale che ha una particolarità significativa: se io sono all'interno di questa sfera che chiamo orizzonte degli eventi se sono all'interno di questa sfera gialla io non posso mandare nessun segnale luminoso; per cui se io mi trovo all'interno di questa sfera io non posso comunicare con l'esterno perché se io emetto con una mia torcia della luce, la luce è incurvata dalla gravità intensa perché anche la luce essendo energia e l'energia è equivalente alla massa anche lei risente del campo gravitazionale e quindi la luce è deflessa ma deflessa a tal punto che rimbalza indietro è come se l'orizzonte fosse una superficie di riflessione totale.

L'altra cosa interessante è quindi che io non posso mandare un segnale, non comunico ma l'altra cosa interessante è che se io ci vado dentro non ho più modo di uscire quindi l'orizzonte non è una superficie di contatto è una regione dove c'è un campo gravitazionale intenso ma è una regione oltrepassata la quale io non posso più uscire e non ho più modo di comunicare; quindi io non possono trovare nessuna sorgente cosmica che mi comunicherà come è fatta questa singolarità perché se io vado a osservarla posso scoprirla ma non ho modo di comunicare all'esterno che cosa ho scoperto quindi è proprio una superficie e infatti è la superficie che corrisponde in modo esatto - anche se in realtà il calcolo è più complesso - a quella superficie in corrispondenza della quale la velocità di fuga che è la velocità minima per uscire dal campo gravitazionale di un corpo - 11 km/s per la terra 300.000 km/s per il Sole - corrisponde esattamente alla velocità della luce che a meno del problema con i neutrini dovrebbe essere di 300.000 km/s, cioè la velocità massima con cui si può trasmettere il segnale, comunicare causalmente cosa sta succedendo.
Quante è grande questa superficie?

Questo si chiama orizzonte degli eventi e ribadisco che questa massa è concentrata dentro questo volume che la veste si dice, in gergo astrofisico si dice “ non esistono singolarità nude” sono singolarità dove la gravità è quasi infinita, bene io non ho modo di osservarla.



Se noi prendiamo un buco nero che ha la massa del Sole, questo raggio si trova a 3 km quindi capite anche che una stella di neutroni è una stella di una massa solare circa che ha un raggio di 10 km, è quasi un buco nero mancato perché bastava che lei si contraesse di un fattore tre circa per diventare un buco nero quindi capite come i buchi neri e le stelle di neutroni siano esotici però la stella di neutroni ha una superficie, è fatta di neutroni, di particelle elementari di cui ho un controllo sulla base della fisica fondamentale; qui invece ho la stessa massa confinata dentro 3 km quindi è esotico assai; se io prendo, faccio un esercizio che mi sarà utile, se io prendo un milione di masse solari, se faccio diventare un milione di soli un buco nero devono essere confinati all'interno di un'orbita che è ancora più piccola dell'orbita tra Mercurio e il Sole: 0,02 unità astronomiche. E se prendo un miliardo di soli questa massa per diventare un cosiddetto buco nero deve essere dentro 20 unità astronomiche quindi nell'intero sistema solare io se ho un buco nero ho accomodato un miliardo di soli; uno dice “va bene d'accordo stiamo scherzando non esistono” e invece esistono anche se è difficile pensarlo, è un passaggio concettuale che ha richiesto per l'astronomia 40 anni per essere accettato 40, 50 anni non è che sono concetti che sono stati acquisiti in pochissimo tempo.
Allora e se io ho la terra, la terra diventasse un buco nero? avrebbe le dimensioni di un dadino di zucchero; il Sole sarebbe di 3 km ma il Sole non è un buco nero perché la gravità è controbilanciata dalle forze di pressioni termica; la stella di neutroni non è un buco nero grazie alla pressione di origine quantistica che però conosciamo quindi ne conosciamo la natura e la possono descrivere molto bene ma nemmeno una galassia che è fatta da 100 miliardi di stelle è un buco nero; guardate: è una bellissima ellittica che vi descriverà Ginevra Trinchieri e questa è la luce emessa da 100 miliardi di stelle che ruotano con moti quasi circolari l'una con l'altra felici e contenente senza diventare un buco nero; però i buchi neri ci sono; ci sono perché un certo Roy Kerr ha dimostrato che possono esistere anche se sono ruotanti; questo è forse difficile per voi accettare questa logica: se io ho un buco nero e non ruota, uno dice “ma il Sole non potrà mai diventare un buco nero perché se il Sole ruota anche se collassa dove, come fa a sbarazzarsi del suo momento angolare, della sua rotazione? Lo devo rallentare e non è che vado lì a prendere il Sole e lo rallento; potrebbe emettere un getto di particelle relativistiche ma magari ci metto un miliardo di un miliardo di anni prima di rallentarlo; non ho modo di fermare un corpo se ruota se non agendo con la frizione per fermarlo” però Kerr dice: “questi buchi neri possono esistere anche ruotanti”; dal 1916 quando fu ipotizzato a livello matematico un buco nero passano più di quarant'anni affinché Roy Kerr matematicamente trovasse questa soluzione; anche qui storie interessantissime su come si è arrivati a questa soluzione; e quindi il concetto di buco nero fa strada come oggetto cosmico perché se io ho un corpo che ruota e questo buco nero può ruotare, lo chiamiamo spin, perché è come la rotazione delle particelle elementari, questi sono davvero gli unici due parametri che lo caratterizzano ma una stella può diventare un buco nero perché non devo fermarla, perché non devo frenare la sua rotazione quindi si può formare.

Questo è stato molto importante, è proprio dal 1964 che gli astronomi pensano all'esistenza dei buchi neri; prima li avevano considerati un'astrazione matematica di grande interesse concettuale; ma come vi spiegherà Anna Wolter questi buchi neri esistono e anche il Gabriele Ghisellini perché li vediamo nell’ atto della loro nascita vi spiegherà Gabriele Ghisellini che probabilmente quando in cielo scoppia un lampo gamma, che vi spiegherà che cos'è, sta nascendo un buco nero di origine stellare, sta morendo una stella massiva e guardate il cielo: è pieno di questi lampi gamma, ne avvengono circa uno al giorno e sono tanti buchi neri che nascono nel miliardo di galassie che popolano l'universo e noi li osserviamo. Li osserviamo come vi dirà Anna Wolter come sorgenti X e anche Tomaso Belloni anche un buco nero può vivere in un sistema binario, mangiare materia e loro vi spiegheranno come si accendono cioè io li osservo non perché loro emettono, vi ho appena detto che non emettono nulla, loro sono davvero invisibili ma generano nel loro intorno un campo gravitazionale così intenso che quando la materia vi cade si riscalda e s'illumina; è l'effetto del circondario, li vediamo grazie al fatto che c'è della materia che cadendo si riscalda e si illumina e quindi emette e noi osserviamo queste emissione altrimenti un buco nero è nero giustamente perché nemmeno la luce può uscire da questo buco nero.


Ma la cosa più incredibile che non abbiamo ancora capito è che mentre nell'evoluzione stellare ormai le caselle sono messe a posto - le stelle molto massive 30/40 masse solari muoiono in buchi neri e li abbiamo visti esattamente come con questa osservazione - nessuno poteva pensare che esistessero buchi neri supermassivi; che cosa sono? Sono buchi neri che hanno una massa fra un milione e un miliardo di masse solari; in ogni galassia molto grande, nella nostra Via Lattea esiste, al centro di ogni galassia, ormai abbiamo forte evidenza, un buco nero di questa taglia: miliardi di soli; esiste in questa bellissima ellittica che è M87, esiste in questa spirale che è molto simile alla Via Lattea; se noi uscissimo dalla nostra Via Lattea e guardassimo come è distribuito il gas e le stelle nella Via Lattea vedremmo un disco di gas e stelle e quello che chiamiamo bulge, bulbo stellare; al centro di questo bulbo stellare ci si trova un buco nero e la più importante osservazione ed evidenza dei buchi neri nell'universo avviene proprio guardando il centro della nostra Via Lattea; studiando che cosa? fatemi fare un analogo familiare.

Ecco il nostro sistema solare abbiamo il Sole con i suoi pianeti e sappiamo che Mercurio che è più vicino al Sole ha un periodo di rotazione che è di una frazione di qualche anno e la terra che ruota in un anno attorno al Sole e Mercurio si muove più velocemente attorno al Sole perché essendo più vicino deve, per non cadere, ruotare più velocemente, la velocità di rotazione orbitale attorno al Sole di Mercurio deve essere più elevata rispetto a quella della terra soltanto perché per non cadere deve andare più veloce; allora intuitivamente capite che se io al posto del Sole metto un buco nero di una massa solare posso avere un Mercurio più vicino, posso addirittura avere una particella che orbita a 5 km di distanza e quindi deve andare più veloce per non cadere; se al posto di un buco nero di una massa solare ne metto uno di un milione o di un miliardo comunque ho molto più spazio, possa avvicinarmi sempre di più e quindi però l'idea è che posso misurare la massa di questo buco nero andando a vedere se c'è un sistema analogo in senso astratto al sistema solare e cioè pensare ad un buco nero contornato che è circondato da stelle e queste stelle si muovono come i pianeti si muovono attorno al Sole; questo è quello che è possibile ed è stato fatto da un gruppo in America e da un gruppo in Europa: sono andati a esplorare le regioni del centro galattico; questa è un'immagine meravigliosa dei cirri e delle nubi nella direzione del Sagittario A star che è la sorgente radio che si trova nella direzione del centro galattico.

Quando si guarda in infrarosso si vede in una marea di stelle è chiaro se voi pensate a questo bulbo fatto di stelle questo è un bulbo di stelle che voi non vedete come puntini perché la luce non è risolta; immaginate, decide di andare a guardare nel centro galattico trovate una marea di stelle anzi una marea così, un numero così elevato di stelle che fate molta fatica a distinguere però grazie alle tecniche di ottica adattiva questi due gruppi sono riusciti a penetrare proprio nelle regioni centrali della Via Lattea e a scoprire un sistema soprattutto di 20 stelle che si muovano sulle orbite che qui abbiamo tracciato cioè vediamo orbitare delle stelle attorno a un punto fisso che è questa stella qui invisibile che però diciamo coincide con la sorgente radio, una sorgente debolissima e questa sorgente radio sembra essere il fuoco di una famiglia di ellissi esattamente come il Sole è il fuoco delle orbite Kepleriane dei pianeti attorno al Sole e siccome le osservazioni sono su un tempo scala umano le orbite di queste stelle non sono più lunghe di una decina di anni; quindi abbiamo delle stelle che ruotano esattamente come i pianeti ruotano attorno al Sole ma siccome vedo la loro distanza proiettata nel cielo e conosco la loro velocità - le loro due misure importanti - riesco a capire quant'è la massa di quel corpo attorno al quale, quasi invisibile, attorno al quale ruotano; la stellina che si muove più vicina al buco nero, a quello che noi chiamiamo buco nero, è questa qui gialla è S02 questo è un ingrandimento della sua orbita, i punti sono i dati osservativi è la posizione di questa stella nel cielo; osservate, sono osservazione al limite della tecnologia ovviamente, e quello che si è appreso è che ruotano tutte attorno a questo punto qui, il centro non è indicato e c'è una massa oscura di un milione di masse solari; noi lo chiamiamo buco nero perché - non leggete qui che ci sono troppe informazioni - se qui c'è una massa che non vedo beh la sua massa deve essere almeno confinata all'interno dell'orbita perché altrimenti l’orbita non potrebbe essere quella che noi osserviamo e quindi io ho un limite sulla densità perché faccio massa, che ho rilevato dai moti, diviso la distanza minima che questa stella ha dal fuoco dell’ellisse e scopro che è 10^15 masse solari per parsec cubo; questo non vi dice nulla o si, dipende se siete astronomi o meno, comunque la distanza di una delle prime stelle, Alpha centauri, dal Sole è di un parsec quindi noi viviamo in un ambiente stellare dove c'è una stella per parsec cubo prendetela come la distanza astronomica qui fra noi e Alpha centauri abbiamo una densità di stelle pari a 10^15 quindi dovremmo avere 10^15 stelle quindi un milione di miliardi di stelle confinate dentro questo volume che non emettono luce e cosa può essere se non è un buco nero? veramente non lo sappiamo.

Quello che noi riteniamo e Anna vi spiegherà è che ogni volta che io guardo una galassia, e questa è una splendida immagine di tante galassie che Hubble vede in ottico, in X e Anna vi spiegherà perché vediamo questi puntini; questi dovrebbero essere tanti buchi neri che mangiano materia che si riscalda prima di cadere e quindi possiamo dire che quasi c'è un buco nero in corrispondenza quasi uno a uno - qui sto facendo alcune illazioni - però è quello che si ritiene; quello che pensiamo è che i buchi neri esistano in ogni galassia e che evolvano in simbiosi con le galassie cioè si formano con le galassie anche se non sappiamo perché; mentre vi so dire capisco come si forma un buco nero stellare e vi do tutta la fisica - che non vi ho dato - per dire guarda una stella di 50 masse solari finirà sicuramente in un buco nero, ho la fisica sotto controllo, qui non ce l'abbiamo, non sappiamo; però lui mi può dire “va bene non lo sai, potrebbero essere stelle oscure che non possiamo vedere”, sono ipotesi che sono state considerate non è che non si considerino le cose più ragionevoli e queste immagini vi mostrano per esempio due buchi neri che sono attivi in due galassie che stanno collidendo quindi loro nascono e collidono con le galassie; questa è un'immagine meravigliosa, recentissima, di un campione di galassie dove vedete che queste le riconoscete sono le galassie sono un sacco di stelle è l'immagine ottica di queste galassie ma tutti i puntini dove la luce si intensifica li c’è un buco nero e qui ci sono coppie di buchi neri in galassie che si stanno fondendo; è per quello che noi diciamo che probabilmente le galassie nascono insieme ai buchi neri cioè i buchi neri nascono insieme alle galassie;.



L'idea su cui io lavoro è la seguente: se nell'universo esistono buchi neri super massivi che stanno in galassie che stanno interagendo, le galassie che si stanno fondendo veramente l'una con l'altra; una galassia ad esempio un'ellittica come quella che vi ho mostrato è risultato probabilmente della fusione di tre o quattro galassie come la Via Lattea e quello che si pensa, queste sono cose che vanno ancora un attimo studiate allora uno dice allora “come possiamo capire se questi nuclei brillanti contengono di buchi neri?” Anna vi spiegherà come ma c'è un'altra strada: le sorgenti onde gravitazionali.
Vi voglio introdurre il concetto non so se ce la faccio comunque è il seguente: voi sapete dalla relatività generale di Einstein, Einstein ha detto “ guardate che la gravità che è la forza che attrae i corpi e quindi fa sì che un pianeta ruoti attorno al Sole senza cadere e quindi deflette orbite non le fa andare diritte ma mi tiene legato su orbite circolari è sostituibile a un concetto elementare: posso pensare di sostituire a questo corpo che genera la gravità una struttura diciamo la graticola dello spazio tempo curvo per cui se io ho e forse si capisce meglio in questa altra rappresentazione, se io il Sole lo rappresento come uno spazio curvo e queste sono in qualche modo le linee curve che vi danno l'idea di un vaso conico ad esempio Einstein dice “guarda io posso pensare al moto circolare e quello ellittico come quello forzato da una geometria circolare perché se io vado dritto lungo una sfera in realtà eseguo un cerchio se io sono su una sfera il mio andar dritto vuol dire andare lungo il cerchio” e Einstein ha detto “ se i pianeti ruotano a causa della gravità e quindi devono andare lungo un cerchio beh sostituisco il Sole e dico che il Sole genera uno spazio tempo curvo diciamo e quindi le particelle che vanno dritte sono costrette a ruotare”; questa è una descrizione equivalente come c'è anche la traiettoria radiale perché se io seguo questa curva cado sul Sole o se io ho una sera di neutroni, la stella di neutroni ha una superficie e ho ancora cerchi o rette cioè caduta libera come la caduta libera di un sasso sulla terra; ma se io ho un buco nero ho possibili orbite e poi se cado dritto se entro nel buco nero non riesco ad uscire quindi la gravità la costruisco e la descrivo in termini di curvatura dello spazio quindi se io ho due stelle che ruotano in un sistema binario loro curvano, le sostituisco con due diciamo smagliature profonde all'interno di questa trama dello spazio e se queste due si muovono, questa trama si muove perché si devono muovere, non posso fare la simulazione ma… ma se si muovono io devo avvertire che mi sto muovendo e quindi devo mandare un segnale che si chiama onda gravitazionale; quindi la predizione chiara dalla relatività generale è che ogni sistema di due corpi che ruotano uno attorno all'altro che sostituisco con due smagliature dentro la trama curva di una maglia, muovendole dovranno mandare un segnale del fatto che mi sto muovendo e questo segnale Einstein dice si chiama onda gravitazionale; quindi la predizione della relatività generale è che ogni sistema binario emette, cioè un sistema di un corpo insieme a un altro corpo che ruota uno attorno all’altro, anche la terra emette onde gravitazionali ma è così debole l'emissione che la possiamo trascurare; questa è una predizione importantissima della relatività generale quindi che cosa sono le onde? sono disturbi della curvatura dello spazio tempo causati dal moto di masse cosmiche che si propagano alla velocità della luce e in realtà non è che viaggiano attraverso lo spazio è lo spazio che si sta deformando e si sta propagando è lo stesso spazio che oscilla e siccome lo spazio tempo sono accoppiati, gli orologi vanno di conseguenza.
Ritorniamo alle pulsar. Vi ricordate avevo una stella di neutroni che era un orologio molto accurato adesso ne prendo due di stelle di neutroni - e la natura è stata così generosa da fornire almeno una ventina di questi sistemi osservabili - e se ruotano attorno al reciproco centro di massa è come avere due orologi, ogni pulsar attiva sta mandando sulla terra un segnale però a causa del moto, il segnale di queste di questa stellina che è un orologio mi manda un impulso, mi manda un segnale, un tic dell'orologio magari in anticipo o in ritardo rispetto a questo perché c'è una differenza di distanza percorsa dalla luce per mandarmi un tic e poi un altro tic; il percorso dei due tic dei miei orologi sono diversi : se io sono più vicina a questa, il tic di questa, la luce di questo segnale mi arriverà prima di questo; ma se ho un orologio così perfetto che io non solo descrivo il moto di queste stelle e lo descrivo accuratamente ma capisco che se ci sono delle piccole differenze di orologio io posso capire che questo sistema si sta restringendo perché sta emettendo onde gravitazionali di tre metri all'anno perché queste onde portando via energia restringono l'orbita; questa è stata la scoperta quindi l'idea è che se io ho due masse, emettono onde che portano via energia, il sistema si restringe e noi le abbiamo osservate indirettamente; Hulse and Taylor, premio Nobel nel 1993, hanno detto sì queste onde gravitazionali esistono, la teoria della relatività generale per ora è una teoria verificata veramente con un'accuratezza straordinaria ma quello che vogliamo fare di più è che vogliamo che queste due stelle, due buchi neri coalescano, come si suol dire, cioè una volta che perdono energia e si avvicinano l'uno con l'altro si fondano in un unico oggetto; se io ho due stelle di neutroni, queste diventeranno probabilmente un buco nero; se ho due buchi neri diventeranno un buco nero più grande; nel momento in cui questi buchi neri o stelle di neutroni si fondono ho la massima emissione di onde gravitazionali perché adesso li ho così vicini, i campi sono così intensi, sto guardando veramente nelle condizioni più estreme; se non ho una stella di neutroni ma ho un buco nero che quindi ho due masse per dire come il Sole alla distanza di 3 km la curvatura dello spazio tempo è violentata proprio e se io ho un buco nero di un milione di masse solari che va a scontrarsi con un buco nero di un milione di masse solari ho una intensissima emissione di onde gravitazionali; l'idea che stiamo esplorando a tutti i livelli scientifici è che se io ho due galassie che collidono con i loro buchi neri ecco che cosa succede: i due buchi neri sono dunque due pallini che con il loro dischetto che vi descriverà Anna che stanno magari emettendo luce, si avvicinano perché perdano energia orbitale, si avvicinano, si avvicinano sempre di più finché non coalesceranno in un unico buco nero e in questo momento ci sarà un lampo di onde gravitazionali che vorremmo andare a rilevare.

Ci sono missioni spaziali che prevedono di andare a rivelare direttamente queste onde al limite della tecnologia.


Che cos'è questo (suono)?

Questa è l'immagine pittorica che voi dovete avere in testa; stanno arrivando, adesso sono ancora dentro le loro galassie adesso sono arrivate a circa un'unita astronomica, sono a un'unità astronomica e cominciano a spiraleggiare e emettono onde, pensate le onde elettromagnetiche come delle onde sonore e prima se vanno lentamente emettono un'onda con una certa frequenza poi vedete che vanno sempre più veloci perché si avvicinano sempre di più allora se io trasferisco in un suono quell'onda elettromagnetica e gravitazionale che il mio rivelatore dovrà rivelare, rivelerà proprio l'onda, il movimento attraverso il movimento di masse che si muovono al passaggio dell'onda, se passa un'onda un anello di massa comincia ad oscillare perché un'onda è un'oscillazione se io rivelo quest'oscillazione prima se un'onda ha una sola frequenza rivelo una sola frequenza ma se l'onda emessa da buco nero aumenta sempre in frequenza perché si stanno avvicinando io sento questo: un'orbita circolare di due buchi neri aumenta l'intensità aumenta, la frequenza, sentite e poi c'è un break totale perché si è formato un orizzonte, nemmeno le onde gravitazionali riescono più ad uscire; se rivelo esattamente che il segnale è così e si ferma sempre più veloce sempre più intenso; questo è invece se l’orbita è eccentrica, ha più frequenze, più battimenti, sale e si è formato un buco nero; questo è quello che si andrà a rivelare anche se non è uno scherzo perché è una cosa complessa quindi vi lascio con la prospettiva che noi in un futuro che vorrà dire una ventina d’anni probabilmente riusciremo a dimostrare veramente che i buchi neri esistono perché quando io li faccio mergere è come nel caso di quello che sta avvenendo al Cern: come abbiamo capito che noi abbiamo un'infinità di particelle elementari e che i nostri nuclei sono fatti di neutroni e protoni ? mettendo negli acceleratori le particelle e facendo collidere le particelle elementari e collidendole le spacchiamo e capiamo la natura; noi qui in qualche modo stiamo spaccando due buchi neri ce lo deve fare l'universo perché non riusciamo a farlo però quello è l'unico modo per veramente, convincere la comunità astrofisica, la comunità scientifica che i buchi neri esistono e quindi fra una ventina danni lo sapremo perché le altre osservazioni sono sempre parziali, sempre incomplete e questo è il modo esattamente per sondare lo spazio tempo nel modo più semplice e più pulito e speriamo di convincere la comunità scientifica di sganciare un miliardo di euro.


Pisa sta facendo una cosa simile sulla terra e rivelerà i buchi neri stellari che fanno la stessa cosa; Pisa e Ligo in America, il consorzio internazionale, dovrà riuscire a rivelare queste onde per prima; premio Nobel sicuro; il problema è avere gli eventi è avere queste cose; anche qui abbiamo un problema: avere eventi cioè avere queste cose che collidono, non è ovvio, però abbiamo buone ragioni per ritenere che ci siano però se si farà questo veramente sarà una cosa nuova e noi continueremo a studiare su tutti i fronti queste cose per capire di arrivare a un punto fermo per poi trovarne un altro non fermo nella conoscenza perché è così che vanno le cose. Grazie.
D

Quando lei ha mostrato dei raggi di stelle di neutroni per esempio di 10 km e anche di buchi neri alludeva all'orizzonte degli eventi? erano i raggi?



R

La stella di neutroni sono tutte uguali una massa solare e 10 km i buchi neri invece possono avere anche 1 g un buco nero da 1 g non so come farlo però … mentre posso dirle non ho una stella da 1 g non la chiamo stella un buco nero da 1 g ce lo posso avere.


Non è accettabile nemmeno per un fisico: dove c'è una singolarità vuol dire che non abbiamo capito una cosa anzi spesso è la regola: se nel mio conto matematico ho un infinito, quel conto lo prendo e lo butto; però quello che posso dirle è che prima che io veda gli effetti quantistici cioè prima di capire come la materia tanta materia gravita messa insieme e si sposa con la meccanica quantistica, io devo comunque averla portata a densità che non sono accessibili alla nostra visione ma noi sappiamo che lì ci sarà qualcosa che non capiamo è soltanto che non sappiamo veramente io non sono un fisico teorico ma i tentativi per capire che cosa sta succedendo lì ne hanno compiuti in diversi su diversi filoni di ricerca e la gravità è veramente la forza meno compresa dell'universo è la forza che non si può cancellare, non esiste un luogo nell'universo dove io posso cancellarla ed è quella che conosco meno.
La luminosità della stella di neutroni quando nasce all'inizio è perché è calda è caldissima infatti emette in X perché è un nucleo di neutroni caldissimi è come è caldo il Sole, il Sole è caldo però ha una temperatura di 6000 gradi kelvin, una stella di neutroni è il nocciolo di una stella morente dove ha dovuto sviluppare temperature di 9 miliardi di gradi kelvin quindi quando io la vedo e non la vedo quando è nata perché quando è nata è circondata da tutte queste cose, la vedo perché è calda ma in realtà questo sarebbe stato quello che mi avrebbe detto un fisico stellare cioè la stella di neutroni la vedo fin tanto che è calda poi si raffredda perché non ha sorgenti di energia e la perdo, perdo il segnale luminoso; ma la cosa inaspettata sono state le pulsar le quali nessuno si aspettava che emettessero in radio, in X - in realtà emettono su tutta la banda dello spettro - in realtà nessuno si era immaginato un meccanismo che non è quello di un gas caldo; sostanzialmente noi prima degli anni 60 non sapevamo quasi nemmeno cosa fossero le stelle come funzionassero le stelle e vedevamo che le stelle erano palle di gas caldo; capite bene che quel segnale radio che si rincorreva a 1 s o millisecondo fosse un segnale di stelle di neutroni ci vuole fantasia e conoscenza e quello era inatteso e quello è il modo con cui vediamo quasi tutte le stelle di neutroni nella nostra galassia le vediamo solo nella nostra galassia, non le vediamo nelle altre galassie: ci sono ma sono troppo deboli.



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