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Fenomenologia dei Buchi neri

La caratteristica fondamentale dei buchi neri è che il loro campo gravitazionale divide idealmente lo spaziotempo in due o più parti separate fra di loro da un orizzonte degli eventi. Un’informazione fisica (come un’onda elettromagnetica o una particella) potrà oltrepassare un orizzonte degli eventi in una direzione soltanto.

Nel caso ideale, e più semplice, di un buco nero elettricamente scarico e non rotante (buco nero di Schwarzschild) esiste un solo orizzonte degli eventi che è una sfera centrata nell’astro e di raggio pari al raggio di Schwarzschild, che è funzione della massa del buco stesso.

Radiazione di Hawking

Fuochi d'artificio vicino a un buco nero nella galassia NGC 4151 (HST)
Fuochi d’artificio vicino a un buco nero nella galassia NGC 4151 (HST)

Un buco nero non è del tutto nero: esso emette particelle, in quantità inversamente proporzionale alla sua massa, portando a una sorta di evaporazione. Questo fenomeno, dimostrato dal fisico Stephen Hawking nel 1974, è noto come radiazione di Hawking ed è alla base della termodinamica dei buchi neri. Alcune sue osservazioni sull’orizzonte degli eventi dei buchi neri, inoltre, hanno portato alla formulazione del principio olografico.

Un gruppo di astronomi analizzando i dati del Chandra X-ray Observatory della NASA ha scoperto l’espulsione di un buco nero ad altissima velocità dal centro di una galassia, dopo la fusione di due galassie.

Altri effetti fisici sono associati all’orizzonte degli eventi, in particolare per la relatività generale. Il tempo di un osservatore in caduta libera, agli occhi di un osservatore distante, appare più lento con l’aumentare del campo gravitazionale fino ad arrestarsi completamente sull’orizzonte. Quindi un astronauta che stesse precipitando verso un buco nero, se potesse sopravvivere all’enorme gradiente del campo gravitazionale, non percepirebbe nulla di strano all’avvicinarsi dell’orizzonte.

Reazione dei fotoni

I fotoni subiscono un fortissimo spostamento verso il rosso (in uscita) o verso il blu (in entrata). Un fotone diretto verso l’esterno del buco nero, subirebbe un tale spostamento verso il rosso da allungare all’infinito la sua lunghezza d’onda. La sua energia quindi diminuirebbe scendendo all’incirca a zero.

A tutt’oggi non è possibile indagare empiricamente lo stato della materia interna a un buco nero

Uno dei primi oggetti nella Via Lattea candidati a essere un buco nero fu la sorgente di raggi X chiamata Cygnus X-1. Si ipotizza che enormi buchi neri (di massa pari a milioni di volte quella del Sole) esistano al centro delle galassie, la nostra e nella galassia di Andromeda. In questo caso si definiscono buchi neri supermassicci.

Nel nucleo delle galassie

Nel nucleo centrale della nostra galassia si osserva l’esistenza di una forte sorgente radio ma molto compatta – nota come Sagittarius A – la cui alta densità risulta compatibile solo con la struttura di un buco nero. Attualmente si calcola che le galassie osservabili abbiano di norma tale genere di buco nero nel loro nucleo. Questo permette anche di spiegare la forte emissione radiativa delle galassie attive (considerando la sequenza che comprende galassie come la nostra fino ai QSO). In pratica una trasformazione d’energia gravitazionale in energia elettromagnetica e cinetica attraverso la rotazione di ogni disco di accrescimento gassoso che tipicamente circonda i buchi neri.