I BUCHI NERI. Maurizio Macchiarulo

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1 I BUCHI NERI Maurizio Macchiarulo

2 I Buchi Neri nella Fisica Classica 1687 Isaac Newton pubblica i suoi Principia 1783 John Michell formula il concetto di Dark Star 1795 Pierre Simon Laplace pubblica Le Systeme du Monde

3 La Legge di Gravitazione Universale F = G m 1 d m 2 2

4 La Stella Nera v F = c 1 2 mc 2 GMm R = 0 R = 2GM c 2 = 2GM c 2 S M M S 3 km M M S

5 I Buchi Neri nella Relatività 1915 Albert Einstein pubblica la sua Teoria della Relatività Generale 1916 Karl Schwarzschild scopre la soluzione della equazione di Einstein che porta al Buco Nero 1967 John A. Wheeler conia il nome Black Hole

6 L equazione di Einstein 8πG = T µν c µν G 4

7 La Gravità e la Relatività Generale Spazio e Tempo sono incurvati da materia ed energia Questo incurvamento è responsabile della Gravità

8 La geometria di Schwarzschild Uno spazio curvo in 2 dimensioni e in un dato istante incastonato in un iperspazio piatto (euclideo) in 3 dimensioni (embedding diagram). Ogni cerchio rappresenta una sfera.

9 Lo Spettro Elettromagnetico

10 Spaghettificazione

11 Le forze di marea h << R GM GM 1 1 a = = GM = ( ) ( ) R R + h R R + h = GM 2 ( R + h) R 2 R ( R + h) 2 2 ( R + h + R) ( R + h R) 2 R ( R + h) = GM 2 = m m h R ( 2R + h) ( R + h) 2 = GM GM R h 2R h R 2GMh = R M

12 Dimensione dei Buchi Neri e Maree 2G R = c 2 M R = raggio di Schwarzschild M = massa del buco nero a = 2Gh M R 3 = 6 hc 1 4G 2 M 2

13 Gli anni d oro 1963 Kerr scopre la sua soluzione dell equazione di Einstein Hawking e Penrose dimostrano che il Big Bang da cui è iniziata l espansione del nostro Universo ha avuto origine da una singolarità Giacconi e il suo gruppo di ricerca costruiscono Uhuru, il primo rivelatore di raggi X ad essere montato su un satellite e messo in orbita Osservazioni combinate nell ambito dei raggi X, delle onde radio e del visibile, forniscono prove a favore dell ipotesi che Cignus-X1 sia un sistema binario costituito da un buco nero e da una stella ordinaria Hawking dimostra che tutti i buchi neri ruotanti e non, irradiano esattamente come se avessero una temperatura proporzionale alla gravità sulla loro superficie, e cioè devono evaporare Chandrasekhar inizia la stesura della sua descrizione matematica dei buchi neri (impiegherà 5 anni) Il gruppo di Giacconi completa e mette in orbita il primo telescopio a raggi X ad alta risoluzione Townes ed altri trovano evidenza nel centro della nostra Galassia di un buco nero di massa 3 milioni quella del Sole.

14 Il telescopio orbitante Hubble

15 Radiotelescopi Una porzione del Very Large Array, Socorro New Mexico

16 Chandra: un telescopio per Raggi X

17 Il telescopio Newton XMM

18 Un telescopio per raggi gamma Compton Gamma-Ray Observatory

19 Quante stelle ci sono in una galassia? In una galassia come la Via Lattea vi sono alcune centinaia di miliardi di stelle di tutte le dimensioni, età e masse. Il Sole è una stella di dimensioni medie. Perché le stelle brillano? Il Sole e le altre stelle brillano grazie alle reazioni di fusione nucleare che avvengono al loro interno.

20 Cosa tiene in vita una stella? Le reazioni nucleari trasformano elementi leggeri in elementi pesanti e liberano un flusso di energia che propagandosi dal centro verso l esterno della stella ne evita il collasso gravitazionale.

21 Il destino delle stelle

22 Gigante Rossa Quando una stella ha bruciato tutto l idrogeno del nucleo collassa per effetto della gravità. L idrogeno degli strati più esterni precipitando verso il centro della stella viene compresso e riscaldato. La fusione di questo idrogeno fornisce una nuova quantità di energia che permette agli strati più esterni della stella di espandersi ed aumentare così il diametro di 100 volte. Il colore della stella appare ora rosso perché la temperatura della sua superficie è relativamente bassa.

23 Nana Bianca d acqua = kg/m 3 d Sole = kg/m 3 d Terra = kg/m 3 d SiriusB = kg/m 3 Quello di Nana Bianca è l ultimo stadio della vita di una stella di massa non superiore a 1.4 masse solari (limite scoperto nel 1933 da Chandrasekhar). Tutto il materiale contenuto nella stella originaria, meno la parte dispersa durante la fase di Gigante Rossa, è ora impacchettato in volume un milionesimo quello della stella originale.

24 Il paradosso della Nana Bianca Se una Nana Bianca non può più produrre energia tramite la fusione nucleare allora come può generare la pressione necessaria per non collassare ulteriormente? DEGENERAZIONE ELETTRONICA

25 Il Sistema Binario Sirius Canis Major Sirius

26 Le Novae

27 Quanto è vuota la materia? La materia ordinaria, noi e tutto ciò che ci circonda, è costituita in larga parte da spazio vuoto. Persino una roccia è spazio vuoto. Questo perché la materia è composta da atomi. Un atomo è una nube di elettroni orbitanti attorno ad un nucleo costituito da protoni e neutroni. Il nucleo contiene il 99.9% della massa dell intero atomo e ha un diametro 10-5 volte quello della nube elettronica. Gli elettroni d'altro canto occupano poco spazio sono le loro orbite a determinare le dimensioni dell atomo che è perciò per il % spazio aperto!

28 Perché la materia ci appare piena? È il movimento velocissimo degli elettroni degli atomi che non ci fa percepire il vuoto della materia. Che aspetto avrebbe la materia se si costringessero gli elettroni sul nucleo? Supponiamo di poter generare una forza di intensità tale da schiacciare sul nucleo gli elettroni degli atomi di una roccia delle dimensioni di uno stadio. Ebbene, la roccia si ridurrebbe alle dimensioni di un granello di sabbia ed avrebbe però una massa di 4 milioni di tonnellate!

29 Le Stelle di Neutroni Quando una stella di massa superiore a 1.4 masse solari collassa, gli elettroni sono schiacciati all interno dei protoni a formare una stella composta quasi esclusivamente di neutroni: un gigantesco nucleo senza spazio vuoto.

30 Stella di Neutroni o Pulsar

31 La Nebulosa del Granchio Raggi X Visibile Infrarosso Onde Radio È ciò che rimane della esplosione di una Supernova osservata nel 1054 dagli astronomi cinesi. Dista 6000 anni luce dalla Terra. Al centro della brillante nebulosa c è una stella di neutroni in rapida rotazione (pulsar) che emette impulsi di radiazioni 30 volte al secondo.

32 Sistemi Binari di Pulsar

33 Buchi Neri stellari Quando una stella di massa superiore a 5 masse solari collassa, nessuna forza nucleare può impedire al suo centro di generare un Buco Nero, una singolarità, una profonda curvatura dello spaziotempo delimitata dall orizzonte degli eventi da cui nulla può sfuggire. Il raggio dell orizzonte degli eventi coincide con il raggio di Schwarzschild che risulta uguale al valore classico R = 3km M M S R

34 I Buchi Neri si possono vedere? I Buchi Neri non possono essere osservati direttamente. Per localizzarli si devono studiare i sistemi binari a raggi X : una stella visibile in orbita ravvicinata attorno ad una stella compagna invisibile (una stella di neutroni o un buco nero). La compagna invisibile risucchia il gas della stella visibile che forma così un disco appiattito che ruota accelerando verso il buco nero. L attrito tra le particelle del gas ne innalza notevolmente la temperatura e come conseguenza si ha emissione di raggi X. L energia potenziale gravitazionale viene convertita in energia cinetica e questa in raggi X e calore. Fino al 42% della massa aspirata viene convertita in energia cioè J/s (10 5 volte più del Sole).

35 Quanti tipi di Buchi Neri esistono? Stellari originati da stelle e con massa compresa tra 5 e 100 masse solari Medi scoperti di recente e con massa compresa tra 500 e 1000 masse solari Supermassicci con massa di un milione o più masse solari situati nel centro delle galassie

36 Getti di raggi X Centaurus A è nota per essere una galassia con forti radio emissioni. Immagine ottica di Centaurus A Ma è anche una forte sorgente di raggi X con un getto di raggi X. Chandra: immagine di Centaurus A

37 Buchi Neri supermassicci Osservazioni radio-ottiche mostrano un rapido aumento della velocità di rotazione delle stelle e del gas stellare man mano che ci si avvicina al centro di una galassia. Inoltre osservazioni ai raggi X indicano che enormi quantità di energia sono liberate dai centri delle galassie, probabilmente dalla materia che cade in un buco nero. Si pensa quindi che al centro delle galassie vi siano buchi neri aventi massa pari a milioni o miliardi di volte quella del Sole. Questi giganteschi buchi neri si sarebbero formati o, per accrescimento di buchi neri stellari nel corso di milioni di anni o, per fusione di più buchi neri stellari o, per collasso gravitazionale di gas stellare.

38 I Quasar Le galassie con un buco nero nel centro vengono dette Galassie Attive mentre il buco nero che si trova nel centro viene detto Nucleo della Galassia Attiva (AGN) o Quasar. I Quasar sono oggetti particolari che irradiano tanta energia al secondo quanta quella emessa da migliaia di galassie, però da una regione che ha un diametro pari a un milionesimo di quello della galassia ospite. La potenza di un Quasar dipende dalla massa del suo buco nero centrale. Alcuni Quasar sono così brillanti da essere visti pur essendo distanti 12 miliardi di anni luce.

39 Il Getto di M87

40 Le Onde Gravitazionali Sorgenti Astrofisiche di Onde Gravitazionali Rivelatori terrestri LIGO, Virgo, GEO, TAMA, AIGO Rivelatori nello spazio LISA

41 La rete di antenne interferometriche LIGO GEO Virgo TAMA AIGO

42 LIGO

43 I cunicoli spaziotemporali Un cunicolo lungo 1 km unisce Terra e Vega distanti 26 anni-luce (disegno non in scala).

44 Schiuma quantistica

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