I buchi neri supermassicci sono mostri Galaxy

C'è un buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. Non può essere visto direttamente attraverso i telescopi o con i nostri occhi, ma gli astronomi sanno che è lì. In effetti, ci sono buchi neri supermassicci nel cuore di molte galassie. Come fanno gli astronomi a sapere che questi mostri si nascondono nei nuclei galattici? Usano una varietà di metodi per studiare la luce mentre passa da un buco nero e studiano anche la regione intorno a un buco nero per capire come influenza le nuvole di gas, polvere e persino le stelle vicine. Attualmente, il buco nero supermassiccio nella Via Lattea, chiamato Sagittario A *, è abbastanza silenzioso e gli astronomi lo monitorano in molte lunghezze d'onda della luce per comprenderne le azioni.

Perché il fascino con i buchi neri?

I buchi neri sono i preferiti nelle storie e nei media di fantascienza. A volte vengono utilizzati come dispositivo per la trama per consentire una sorta di trucco interstellare di viaggio. Oppure, sono presenti nei viaggi nel tempo o in qualche altro elemento importante di una storia. Per quanto affascinanti siano tali storie, la realtà dietro questi strani behemoth è più intrigante di quanto gli scrittori possano immaginare. Quali sono i fatti che circondano i buchi neri supermassicci? C'è qualche scienza dietro le raffigurazioni di fantascienza dei buchi neri supermassicci? Scopriamolo.

Cosa sono i buchi neri supermassicci?

Generalmente, i buchi neri supermassicci sono proprio quello che dice il loro nome: buchi neri davvero enormi. Misurano in centinaia di migliaia di masse solari (una massa solare equivale alla massa del Sole) fino a miliardi di masse solari. Possiedono un potere immenso e esercitano un'influenza incredibile sulle loro galassie.

L'attrazione gravitazionale del sospetto buco nero forma un disco simile a un frisbee di gas freddo, al centro di una galassia. In seguito ad osservazioni di Hubble, un'altra galassia ha confermato la realtà di mostruosi buchi neri che affondano nei fori del lavandino gravitazionale che intrappolano tutto, persino la luce. L. Ferrarese (Johns Hopkins University) e NASA

I buchi neri più supermassicci esistono nei nuclei delle galassie. Quella posizione centrale consente loro di aiutare (almeno parzialmente) a tenere insieme le galassie. La loro gravità è così immensa, a causa della loro incredibile massa, che persino le stelle a centinaia di migliaia di anni luce di distanza sono legate in orbita attorno a loro e ai nuclei della galassia che abitano.

I buchi neri e le loro densità incredibili

Ogni volta che gli astronomi parlano di buchi neri, la principale proprietà che usano che distingue i buchi neri da altri oggetti "normali" nell'universo è la densità. Questa è la quantità di "roba" contenuta nel volume di un buco nero. La densità ai nuclei dei buchi neri è così alta che diventa essenzialmente infinita. In particolare, il volume (la quantità di spazio occupata da un buco nero e la sua massa nascosta) si avvicina a zero. Ciò significa che è poco più di un piccolo punto nello spazio, ma quel piccolo punto, chiamato singolarità, contiene un'incredibile quantità di massa. Questo lo rende incredibilmente denso. Quella densità è diffusa in tutta la regione del buco nero, dalla singolarità all'orizzonte degli eventi (che è il punto in cui la gravità del buco nero è troppo forte per resistere a qualsiasi cosa. 

Un modello di buco nero circondato da materiale ionizzato riscaldato. Questo potrebbe essere l'aspetto del buco nero nella Via Lattea. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

Sembra che l'interno del buco nero (oltre l'orizzonte degli eventi) possa essere incredibilmente schiacciato, senza spazio. È interessante notare che c'è un esperimento mentale che dice che la densità media dei buchi neri supermassicci può effettivamente essere inferiore alla stessa aria che respirano gli umani. In effetti, maggiore è la massa, il Di meno denso è il buco nero supermassiccio, se si considera l'intero volume dell'area dalla singolarità all'orizzonte degli eventi. La massa sarebbe distribuita attraverso quella regione, con più massa alla singolarità che nella "periferia". 

Se questo è vero, allora non sarebbe solo possibile avvicinarsi a un buco nero supermassiccio, si potrebbe teoricamente cadere in un buco nero supermassiccio e sopravvivere per un bel po 'di tempo fino ad avvicinarsi alla singolarità. Tuttavia, c'è un grosso problema: la gravità. È così forte che qualsiasi cosa che passa all'orizzonte degli eventi sarebbe lacerata dall'estrema forza gravitazionale. Questo per quanto riguarda i viaggi wormhole! 

Come si formano i buchi neri supermassicci?

La formazione di buchi neri supermassicci è ancora uno dei misteri dell'astrofisica. I buchi neri normali sono i resti fondamentali lasciati dall'esplosione della supernova di una stella massiccia. Più massiccia è la stella, più massiccio è il buco nero lasciato alle spalle.

Si potrebbe quindi supporre che i buchi neri supermassicci siano creati dal collasso di una stella supermassicci. Il problema è che sono state rilevate poche stelle di questo tipo. Inoltre, la fisica ci dice che in primo luogo non dovrebbero nemmeno esistere. Tuttavia, lo fanno. Le stelle più massicce sono dozzine a cento volte la massa del Sole. Alcuni rari ipergiganti possono arrivare a 300 masse stellari. Tuttavia, anche questi mostri sono molto lontani dai tipi di masse che sarebbero necessari per creare un buco nero supermassiccio. Per dirla senza mezzi termini: per creare un buco nero supermassiccio è necessaria MOLTA più massa di quella contenuta anche nelle stelle più supermassicci. 

La collisione di due buchi neri - un evento tremendamente potente rilevato per la prima volta in assoluto dall'interferometro laser Gravitational-Wave Observatory, o LIGO - è visto in questo ancora da una simulazione al computer. LIGO ha rilevato onde gravitazionali, o increspature nello spazio e nel tempo generate quando i buchi neri si sono incrociati, si sono scontrati e si sono uniti. Questa simulazione mostra come la fusione sembrerebbe ai nostri occhi se potessimo in qualche modo viaggiare su un'astronave per uno sguardo più attento. È stato creato risolvendo le equazioni della teoria della relatività generale di Albert Einstein usando i dati LIGO. LIGO / CalTech

Quindi, se questi oggetti non sono creati nel modo tradizionale di altri buchi neri, da dove provengono i mostri buchi neri? L'idea principale è che hanno formato buchi neri molto più piccoli per costruirne di grandi. Alla fine, l'accumulo di massa porterebbe alla creazione di un buco nero supermassiccio. Questa è una teoria gerarchica per costruire un buco nero supermassiccio. Ci sono alcuni problemi con questa teoria perché richiede lo studio di buchi neri supermassicci di "massa intermedia". Sarebbero gli "in b tra i gradini" dai piccoli buchi neri ai mostri supermassicci. Gli astronomi stanno iniziando a rilevare più di questi e studiano le loro caratteristiche particolari per colmare le lacune nella teoria gerarchica. 

Fori neri, Big Bang e fusioni

Un'altra teoria di spicco sulla creazione di buchi neri supermassicci è che si sono formati nei primi momenti successivi al Big Bang. Certo, non tutto è completamente compreso sulle condizioni durante quel periodo al fine di capire come i buchi neri hanno avuto un ruolo e ciò che ha stimolato la loro formazione. 

Le osservazioni dei noti buchi neri supermassicci e di massa intermedia suggeriscono che la teoria della fusione è probabilmente la spiegazione più semplice. L'esame dei buchi neri supermassicci più antichi, più distanti e più grandi, in particolare i quasar, mostra che ci sono prove che la fusione di molte galassie abbia avuto un ruolo. Quando le galassie si fondono, sembra che anche i loro buchi neri lo facciano. Le concentrazioni svolgono un ruolo nel modellare le galassie che vediamo oggi, e quindi ha senso che i loro buchi neri centrali possano venire per la corsa e crescere insieme alle galassie. È interessante notare che quando questi buchi neri si fondono, inviano molta energia. L'azione emette anche onde gravitazionali, che gli astronomi sono appena in grado di misurare.

Se le fusioni sono la risposta, forniscono una soluzione parziale al problema del buco nero intermedio. In entrambi i casi, la risposta non è ancora chiara. Molto più lavoro deve essere fatto per osservare e caratterizzare le galassie e i loro buchi neri.

La scienza nella fantascienza

Tornando alla fantascienza e ai buchi neri, ci sono proprietà che piegano completamente la mente che gli scrittori hanno usato. Storie di viaggi più veloci di quelli leggeri, viaggi interstellari e viaggi nel tempo pervadono i romanzi di fantascienza. Esistono persino teorie secondo cui i buchi neri sono gateway per universi alternativi.

Due astronavi entrano in un wormhole nello spazio per raggiungere un universo in un'altra parte della galassia. Corey Ford / Immagini Stocktrek

Quindi ci sono prove a sostegno di una di queste idee? In realtà sì, anche se solo in circostanze molto estreme. L'idea di usare i buchi neri come wormhole che in qualche modo ci collegano con l'altro lato dell'universo esiste da decenni. È una fantasia fantastica e fantasiosa che probabilmente non diventerà realtà presto.

Le possibilità sono state persino calcolate usando la fisica seria e la relatività generale. Quindi, teoricamente, queste cose potrebbero accadere, come è stato mostrato nel film del 2014 Interstellare. Il fisico che ha lavorato con i cineasti ha avuto alcune idee teoriche a sostegno del film e ha lavorato scientificamente. Tuttavia, la tecnologia richiesta non è ancora disponibile e devono essere soddisfatte varie condizioni speciali. Ma chi lo sa - una volta si riteneva impossibile gran parte della tecnologia che gli umani usano oggi per il volo. 

Fatti veloci

• Buchi neri supermassicci esistono nel cuore di molte galassie, compresa la Via Lattea.
• Alcune galassie, come la galassia di Andromeda, possono avere più di uno di questi mostri.
• Quando le galassie si fondono, anche i loro buchi neri possono fondersi.
• I buchi neri supermassicci possono contenere fino a miliardi di masse stellari nascoste all'interno.
• La nostra Via Lattea ha un buco nero supermassiccio chiamato Sagittario A *

fonti

• Mohon, Lee. "I buchi neri supermassicci stanno superando le loro galassie." NASA, NASA, 15 febbraio 2018, www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/supermassive-black-holes-are-outgrowing-their-galaxies.html.
• Saplakoglu, Yasemin. "Azzerarsi su come si sono formati i buchi neri supermassicci." Scientific American, 29 settembre 2017, www.scientificamerican.com/article/zeroing-in-on-how-supermassive-black-holes-formed1/.
• “Supermassive Black Hole | COSMO." Centro per astrofisica e supercomputer, astronomy.swin.edu.au/cosmos/s/supermassive buco nero.

A cura e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.