I buchi neri rotanti


A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

Buchi neri e pattinaggio sul ghiaccio

Avete mai visto una pattinatrice sul ghiaccio quando ruota su se stessa? Quando tiene le braccia larghe, staccate dal corpo ruota lentamente, ma quando le stringe al petto e si raccoglie su se stessa la rotazione si fa sempre più veloce, salvo rallentare nuovamente quando allarga nuovamente le braccia.

Questo è un esempio di una legge fisica chiamata legge della conservazione del momento angolare, la quale (semplificando) afferma che un corpo rotante, a parità di massa, se diminuisce le proprie dimensioni DEVE aumentare la propria velocità rotazionale (come la pattinatrice appunto), ed a patto che non intervengano forze esterne.

Ma cosa centrano questa legge e la pattinatrice con i buchi neri?

Centrano moltissimo, perché vedete quando parliamo di buchi neri, singolarità, orizzonte degli eventi e via di seguito di solito si fa riferimento ad un modello sferico e statico, detto modello di Schwarzchild, ma un tale buco nero statico è un’idealizzazione, perché dovrebbe derivare da una stella a sua volta statica, ed in natura simili stelle non esistono.

Tutte chi più velocemente chi meno ruotano intorno al proprio asse, per cui in ottemperanza alla legge della conservazione del momento angolare, il buco nero che da esse deriva DEVE ruotare, anzi, dato che diminuisce il proprio raggio DEVE ruotare più velocemente della stella di origine.

Un po’ di storia

Nei primi anni 60, il fisico Roy Kerr calcolò le soluzioni delle equazioni di Einstein per un campo gravitazionale derivato da una massa rotante e quindi mentre il modello di Schwarzchild descrive una stella statica, quello di Kerr descrive la formazione di un buco nero da parte di una stella rotante (il che è la norma). Nel caso di un buco nero rotante una conseguenza importante è che lo spazio-tempo oltre ad essere deformato, viene anche trascinato nella rotazione. Einstein con la relatività generale previde un simile effetto sullo spazio-tempo con qualsivoglia massa rotante, ma solo nel caso dei buchi neri questo effetto diviene apprezzabile. Praticamente un buco nero rotante trascina, avvita, nella rotazione lo spazio-tempo formando in pratica un gorgo, un vortice simile a quelli che a volte si formano in mari e fiumi.

Ora questo complica un poco la nostra visione idealizzata di un buco nero, infatti la rotazione dei buchi neri ha come conseguenza che non esista solo un limite, l’orizzonte degli eventi, ma esterna ad esso esiste una regione dello spazio denominata ERGOSFERA in cui lo spazio-tempo stesso ruota intorno al buco nero.

Tale zona, Ergosfera possiede a sua volta un limite esterno, denominato LIMITE STATICO.

Dunque l’aspetto dello spazio nei pressi di un buco nero rotante è il seguente.

Credit:www.astronomia.com

Ricapitolando…

Dunque, all’esterno del limite statico, è possibile per le particelle e gli oggetti rimanere costantemente ad una data posizione. Nella zona fra il limite statico e l’orizzonte degli eventi, ovvero nell’ergosfera, gli oggetti e le particelle sono costretti a muoversi nella direzione di rotazione in quanto lo spazio-tempo stesso ruota in tale senso. All’interno dell’orizzonte degli eventi oggetti e particelle non possono più sfuggire e verranno inglobate nella singolarità. Come si fede nel disegno il limite statico assuma la forma di un ellissoide che tocca l’orizzonte degli eventi ai “poli” e se ne allontana al massimo all’equatore. Ricordate che è solo sull’orizzonte degli eventi che la materia è definitivamente intrappolata all’interno del buco nero, dall’ergosfera la materia può ancora sfuggire. Infatti sarebbe addirittura TEORICAMENTE possibile estrarre energia dalla materia presene nell’ergosfera, come?

Beh le particelle entrando nell’ergosfera acquistano velocità ed energia, e uscendone (o riuscendo ad estrarle) esse avrebbero più energia di quando sono entrate, e ciò a scapito del momento angolare del buco nero (in pratica rallenterebbe).

A scapito di facili entusiasmi non è certamente una cosa che avverrà domani…….

Vorrei ribadire che, gli oggetti approssimandosi a una massa rotante vengono a partecipare alla sua rotazione, non a causa di un moto proprio, ma, per la curvatura ed il trascinamento dello spazio-tempo associato ai corpi in rotazione. Se si giunge abbastanza vicino, tutti gli oggetti, COMPRESA LA LUCE, devono ruotare insieme al corpo.

Inoltre per quanto riguarda la singolarità gravitazionale posta al centro del buco nero rotante è possibile dimostrare che essa non assume la forma di un punto, ma di un anello, e questo a causa della rotazione.

Un’ultima cosa, mentre i buchi neri statici sono detti di “buchi neri di Schwarzchild”, quelli rotanti sono detti “buchi neri di Kerr” dal fisico che ne calcolò le soluzioni.

Accenno, ed accenno solamente, infine, che secondo alcune ipotesi e soluzioni nella regione più interna di questo spazio-tempo, potrebbero essere possibili alcune forme di viaggio nel tempo, ma avviso, ciò che è possibile matematicamente non è detto lo sia nella realtà. Il solito avviso, a favore della chiarezza e nel tentativo di spiegare concetti complessi senza formule o diagrammi a volte ho sacrificato la correttezza assoluta, che, come ripeto sempre non è lo scopo di queste chiacchierate.

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