Stelle di neutroni e Buchi Neri

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02/04/2014 13:50 - 09/02/2017 15:43 #134 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Stelle di neutroni e Buchi Neri
Stelle di neutroni e Buchi Neri
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Fig. 1. Henri de Montaut
Le train de projectiles pour la Lune
Tav. 31 in Dalla Terra alla Luna, di Jules Verne
Immagine The Illustrated Jules Verne
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Gli articoli del gruppo Storie di quarks nel programma di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a dare sinteticamente una visione unitaria di argomenti il cui legante concettuale è il trattare di “insiemi di quarks”. Il filo conduttore della loro sequenza è illustrato nel primo articolo Quarks nell’evoluzione dell’Universo e consiste nel seguire la linea temporale dell’evoluzione dell’Universo.

Con Quarks e gluoni: c’era una volta … siamo partiti dal “plasma di quarks e gluoni” negli istanti iniziali dell’Universo. Seguendo il filo della sua evoluzione temporale, abbiamo visto che i quarks aggregandosi hanno formato i nuclei del mondo attorno a noi. Quest’articolo parla di “Stelle di neutroni” e di “Buchi neri”. Come descritto in Implosione gravitazionale e Supernovae e Neutrini e implosione gravitazionale , questi stati estremi della “materia di quarks” sono l’esito di una “implosione gravitazionale” di stelle massive quando le reazioni nucleari che le mantengono attive non sono più alimentate. L’implosione gravitazionale in se stessa è un fenomeno straordinariamente rapido, con durata dell’ordine di pochi secondi. Essa si manifesta con l’apparizione nel cielo di una “Supernova di tipo II”, che gradualmente scompare nell’arco di diversi mesi.

E’ difficile vedere “in anteprima” il confine tra una colta e intelligente Fantascienza e la Scienza. La figura 1 mostra una immagine che illustra il potere di anticipazione della Fantascienza: un veicolo spaziale con l’aspetto di un razzo multi-stadio in una illustrazione originale di Dalla Terra alla Luna (1865) di Jules Verne. Con quest’articolo andremo nel Cosmo di gran lunga più lontano. Potrebbe apparire Fantascienza, se non rendessimo conto della ricerca scientifica che ci porta in questo viaggio.

Stelle di neutroni e pulsar

Le Stelle di neutroni sono il risultato del collasso di stelle con massa iniziale almeno circa 8 volte più grande di quella del Sole. Esse furono scoperte nel 1967 sotto altra identità: quella di “Pulsating radio star” (in breve “Pulsar”), per la loro capacità di emettere impulsi di onde radio in rapida sequenza. Esse furono presto identificate come le ricercate Stelle di neutroni.

La scoperta delle Pulsar è dovuta ai radioastronomi Jocelyn Bell e Antony Hewish, come fu riconosciuto anni più tardi, in occasione dell’attribuzione dei Premi Nobel 1993. Antony Hewish ricevette il Premio Nobel 1974for his decisive role in the discovery of pulsars”. Jocelyn Bell, dottoranda con supervisore Hewish, osservò per prima un segnale. Dice Hewitt nella sua Lezione Nobel : “It is greatly to Jocelyn Bell’s credit that she was able to keep up with the flow of paper from the four recorders. One day around the middle of August 1967 Jocelyn showed me a record indicating fluctuating signals that could have been a faint source undergoing scintillation when observed in the antisolar direction” (“E’ grande merito di Jocelyn Bell l’essere stata in grado di tenere il passo con il flusso di carta dai quattro registratori. Un giorno, verso la metà di agosto 1967, Jocelyn mi mostrò una registrazione che indicava dei segnali fluttuanti che sarebbero potuti provenire da una debole sorgente che appariva scintillare quando osservata in direzione antisolare”).


Fig. 2. Immagine ai raggi X della Pulsar delle Vele
Chandra X-ray Observatory (2003)
Immagine Wikipedia - NASA
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Fig. 3. Chandra X-ray Observatory
Immagine Wikipedia - NASA


La figura 2 mostra un’immagine ai raggi X della Pulsar delle Vele , situata nella Nebulosa delle Vele nell’omonima costellazione. Nel 1968, astronomi dell'Università di Sydney la associarono con il residuo di Supernova delle Vele e fornirono una prova osservativa diretta che Pulsar e Stelle di neutroni originano da esplosioni di Supernovae. La Pulsar delle Vele è visibile per emissione di onde radio, luce e raggi X.

L’immagine ai raggi X di figura 2 proviene dal telescopio orbitante Chandra X-ray Observatory della NASA, mostrato in figura 3. La pulsar appare come una macchia bianca luminosa nel mezzo della foto ed è circondata da gas caldo, raffigurato in giallo e arancione. Un getto ondeggiante di gas esce in alto a destra. L’Osservatorio Chandra ha studiato questo getto per un tempo abbastanza lungo da formarne un film. Il getto ondeggia nello spazio come una manichetta anti-incendio da pompieri, muovendosi da sinistra a destra e dall’alto in basso ma rimanendo collimato: l’invisibile "tubo" intorno al flusso è fornito da un campo magnetico strettamente collimato.
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Fig. 4. Schema di una Pulsar
Immagine Il Planetario Virtuale
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Le Stelle di neutroni hanno una massa da 1,4 a 3 volte quella del Sole, con un diametro di solo qualche decina di chilometri. L’emissione pulsata deriva da tre effetti, illustrati in figura 4:

• “ ballerina ”: la conservazione del momento angolare nello spaventoso collasso fa sì che anche un lento moto di rotazione iniziale diventi rapidissimo;

• “torcia”: un fortissimo campo magnetico, configurato come quello terrestre, orienta la radiazione lungo l’asse magnetico;

• “faro”: la luce della torcia ruota come quella di un faro, poiché l’asse magnetico non coincide con l’asse di rotazione e quindi ha un moto di precessione .

Siamo così periodicamente investiti dalla radiazione emessa dalla “torcia a raggi X”, per cui la radiazione stessa ci appare pulsata. La pulsazione è incredibilmente rapida (anche un centinaio di volte al secondo), considerata la massa della stella.

Buchi Neri

Se la massa iniziale della stella è almeno circa 25 volte più grande di quella del Sole, l’implosione gravitazionale è ancora più esasperata che per una Stella di neutroni e la Supernova accompagna la nascita di un “ Buco Nero ”.

Per attrazione gravitazionale, un Buco Nero “mangia” ignara e incosciente materia vicina. Più ingrossa, più attrae e diventa vorace. Esso aumenta così in massa, precipitando per attrazione gravitazionale in uno spazio che si restringe paurosamente, ove le interazioni sono sempre più forti. Il Buco Nero entra in un nuovo dominio di leggi fisiche, ove la Scienza sembra Fantascienza. Volenti o nolenti la Fisica Quantistica e la Relatività Einsteiniana (normalmente “separate in casa”) sono costrette a mettersi seriamente assieme: per capire i Buchi Neri sono necessari strumenti teorici di estrema frontiera, basati su una loro integrazione.

Paul Gauguin, Da dove veniamo? Chi siamo? Dove andiamo? (1897-1898)
Dettaglio, Museum of Fine Arts, Boston

La natura sconvolgente dei Buchi Neri li ha immessi tra i miti mediatici senza che il pubblico generalmente capisca “Chi sono? Da dove vengono?”, parafrasando parte della scritta “D'où venons-nous ? Que sommes-nous ? Où allons-nous ?” nel cartiglio del famoso quadro di Paul Gauguin (1848-1903) con tale titolo.

In Interazioni: Introduzione e Interazione Gravitazionale è detto che, secondo la Teoria della Relatività Generale, la curvatura dello spazio-tempo indotta dalla presenza di una massa si manifesta in un’apparente deviazione della radiazione elettromagnetica (tra cui la luce). Lo provò nel 1919 Arthur Eddington osservando una deviazione della luce di stelle radente il Sole durante una sua eclissi totale. Un singolare fenomeno accade all’estrema concentrazione di massa di un Buco Nero: la curvatura dello spazio-tempo è talmente forte che nessuna radiazione o materia riesce a sfuggirgli e manifestarsi al mondo esterno. La denominazione di “Buco Nero” deriva da questo stupefacente fenomeno. Volendo cercare una (impossibile) corrispondenza nel linguaggio corrente della fisica classica, è “come se” la massa della Terra fosse talmente grande da rendere maggiore di quella della luce la “ velocità di fuga " da impartire a un razzo per inviarlo nello spazio: nulla potrebbe uscire dal campo gravitazionale terrestre e lo spazio non avrebbe nulla proveniente da noi.

Per quanto detto sopra, i Buchi Neri non sono direttamente visibili: la loro densità e la loro massa sono talmente grandi da determinare, secondo la Teoria della Relatività Generale, una curvatura dello spazio-tempo così estrema che ogni radiazione viene ricurvata al loro interno. Dal loro interno, nulla giunge direttamente ai nostri strumenti di osservazione. Vediamo brevemente con quali metodi procede la caccia cosmica ai Buchi neri.
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Fig. 5. Un Buco Nero attrae gas che si riscalda ed emette raggi X
Immagine Il Planetario Virtuale

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Fig. 6. Lampi di raggi X presso Sgr A* al centro della nostra galassia
Telescopio a raggi X Swift (2006-13)
Immagine NASA

Emissione di radiazioni

Anche senza entrare nei dettagli, è comprensibile che la presenza di una massa con il potere attrattivo di un Buco Nero crei un gran scompiglio nei suoi dintorni e che questo si traduca nell’emissione di radiazioni. Queste radiazioni sono come le bolle d’aria che arrivano in superficie e indicano la presenza di subacquei non visti perché in immersione anche profonda.

L’attrazione gravitazionale che i Buchi Neri esercitano è tale che essi inghiottono corpi vicini (da cui il mito mediatico), ma fornisce anche un metodo per osservarne indirettamente l’esistenza. La figura 5 mostra schematicamente un sistema di “Stelle binarie” (stelle che ruotano una attorno all’altra) una delle quali è diventata un Buco Nero. Il riscaldamento del gas sottratto alla stella compagna provoca l’emissione di raggi X, osservabili dai nostri strumenti.

L’emissione di raggi X è stata utilizzata dal telescopio a raggi X montato sul telescopio orbitante Swift per trarre evidenza della presenza di un Buco nero al centro della nostra galassia (la “Via Lattea”). Il satellite è stato messo in orbita da NASA, Agenzia Spaziale Italiana e PPARC-UK, e è equipaggiato anche con strumentazione dell’Istituto Nazionale di Astrofisica. La campagna di osservazioni ha evidenziato lampi di raggi X provenienti dal centro della nostra galassia (la “Via Lattea”) in prossimità del suo supposto buco nero centrale Sagittarius A* (Sgr A*). L'immagine a raggi X del centro galattico in figura 6 raccoglie osservazioni effettuate dal 2006 al 2013. In prossimità di Sgr A* (nella zona centrale dell’immagine) sono addensate osservazioni di lampi di raggi X a bassa energia (da 300 a 1.500 elettron-Volt) mostrati in rosso, media energia (1.500 a 3.000 eV) in verde e alta energia (3.000 a 10.000 eV) in blu. Si noti che i colori nelle immagini astrofisiche sono talvolta scelti ad arte come mezzo per evidenziare i dettagli degli oggetti rappresentati.

Anche l’emissione di radiazioni da parte dei cosiddetti “ Nuclei Galattici Attivi ” (AGN) può essere spiegata con l’esistenza di un Buco Nero. Si pensa che quasi ogni galassia possa averne uno come nucleo attrattivo centrale.
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Fig. 7. Nube di gas dilaniata da un Buco Nero al centro della nostra galassia
Immagine Wikipedia - VLT ESO
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Fig. 8. Schema delle orbite delle stelle al centro della nostra Galassia e la nube di gas attorno al Buco Nero centrale.
Immagine European Southern Observatory

Osservazioni astronomiche

La figura 7 mostra nuove osservazioni fatte dal Very Large Telescope (VLT) dell'European Space Observatory (ESO). Essa mostra per la prima volta una nube di gas che viene dilaniata verso un Buco Nero al centro della nostra galassia. La forma della nube non è visibile. Ne è visualizzata la posizione nel 2006, 2010 e 2013, rispettivamente in blu, verde e rosso. L'allungamento della nube è visto tramite misure delle velocità delle diverse parti della nube.

Per la ricerca di un Buco Nero nella nostra galassia si può anche procedere mediante accurate osservazioni astronomiche e la ricerca di “anomalie” nel moto di corpi celesti. Il metodo è concettualmente classico: nel 1846 un “nuovo” pianeta (Nettuno) fu sensazionalmente scoperto ove era stato previsto dal matematico e astronomo Urbain Le Verrier in base allo studio delle anomalie nel moto di Urano. Nella caccia al “nostro” Buco Nero, gli astronomi hanno perseguito per anni l’osservazione del moto delle stelle presso il centro della nostra galassia (figura 8) e in particolare nella già menzionata regione detta Sagittarius A*, traendo la conclusione che esso può essere spiegato con l’esistenza di un Buco Nero di oltre 4 milioni di masse solari intorno al quale orbitano le stelle osservate. Uno spettacolare "film di animazione" del moto di queste stelle, seguite dal 1995 al 2013, è mostrato nel sito UCLA Galactic Center Group .

Fig. 9. La nave spaziale Enterprise in Star Trek
Immagine Effetto notte

Scienza della Fantascienza

La sempreverde serie televisiva e filmografica Star Trek , iniziata nel 1966, è Fantascienza. La figura 9 è tratta dal film del 2009 Star Trek – Il futuro ha inizio del 2009, nel quale con la nave spaziale Enterprise i “nostri” se la devono vedere anche con quanto possono combinare i Buchi Neri. “ Io speriamo che me la cavo ”, come dice il titolo del libro scritto da Marcello D’Orta nel 1990 sulla sua esperienza di maestro elementare a Arzano nella periferia napoletana.

Dove è il confine con la Scienza? Per saperlo si può leggere quanto scritto dal notissimo astrofisico Lawrence Krauss nel 1995 in La Fisica di Star Trek (Ed. Longanesi) e nel 1997 in Beyond Star Trek: Physics from alien invasions to the end of time. Nel 2009 ne parla in una intervista su Scientific American, la rivista madre dell’italiana Le Scienze. Al World Science Festival di Amsterdam nel 2011 tenne una conferenza dal titolo “How real is Star Trek. Sono pochissime tra le tante possibili citazioni. Esiste anche la “Scienza della Fantascienza”.


Collegamenti

Il Planetario Virtuale , INAF - Osservatorio Astronomico di Padova
Gravity’s relentless pull dell’ Telescopio Spaziale Hubble


Maurizio Paolillo e Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:43 da Paolo.

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