Beh, sono neri, e sono come buchi senza fondo. Come li chiameresti?- Io, quando un amico mi ha chiesto perché sono chiamati quello che sono
Ah, buchi neri. L’ultimo induttore di brividi del cosmo, squali che fanno la mascella, ragni che trasudano, che spaventano out qualcosa di spaventoso. Ma siamo affascinati da ‘loro, non hanno alcun dubbio – anche se non capiamo molto su di loro.
Ma allora, è per questo che sono qui. Permettimi di essere la tua guida turistica all’infinito. O l’inverso di esso, suppongo. Dal momento che è Halloween questo sembra appropriato … e il mio libro Death from the Skies! appena uscito, e ci sono molti modi in cui un buco nero può distruggere la Terra. Mwuhahahaha.
Quindi di seguito presento dieci fatti sui buchi neri — il terzo della mia serie di Dieci cose che non conosci (il primo era sulla Via Lattea; il secondo sulla Terra). I lettori abituali sapranno alcuni di questi da quando ne ho parlato prima, ma spero che tu non conosca tutti questi. E se lo fai, allora sentitevi liberi di lasciare un commento pavoneggiarsi circa il vostro intelletto superiore. Intendiamoci, questa lista non è affatto completa: avrei potuto scegliere probabilmente 50 cose che sono strane sui buchi neri. Ma mi piacciono.
Non è la loro massa, è la loro dimensione che li rende così forti.
OK, in primo luogo, un primer davvero veloce sui buchi neri. Abbi pazienza!
Il modo più comune per formare un buco nero è nel nucleo di una stella massiccia. Il nucleo finisce il carburante e collassa. Questo scatena un’onda d’urto, facendo esplodere gli strati esterni della stella, causando una supernova. Quindi il cuore della stella collassa mentre il resto esplode verso l’esterno (questa è la versione delle note della Scogliera, per maggiori dettagli sul processo — che è molto bello, quindi dovresti leggerlo — controlla la mia descrizione di esso).
Quando il nucleo collassa, la sua gravità aumenta. Ad un certo punto, se il nucleo è abbastanza massiccio (circa 3 volte la massa del Sole), la gravità diventa così forte che proprio sulla superficie del nucleo collassante la velocità di fuga aumenta alla velocità della luce. Ciò significa che nulla può sfuggire alla gravità di questo oggetto, nemmeno la luce. Quindi è nero. E poiché nulla può sfuggire, beh, leggi la citazione nella parte superiore della pagina.
La regione attorno al buco nero stesso in cui la velocità di fuga è uguale alla velocità della luce è chiamata orizzonte degli eventi. Ogni evento che accade al suo interno è per sempre invisibile.
OK, quindi ora sai cos’è uno e come si formano. Ora, potrei spiegare perché hanno una gravità così forte, ma sai una cosa? Preferirei lasciarlo fare a questo tizio. Ho sentito che e ‘ bravo.
Così ci si va. Certo, la massa è importante, ma a volte sono le piccole cose che contano.
Non sono infinitamente piccoli.
Quindi OK, sono piccoli, ma quanto sono piccoli?
Stavo scrivendo di buchi neri nel mio precedente lavoro, e abbiamo avuto una divertente discussione su ciò che intendevamo per buco nero: intendevamo l’oggetto stesso che crolla fino a un punto matematico, o l’orizzonte degli eventi che lo circonda? Ho detto l’orizzonte degli eventi, ma il mio capo ha detto che era l’oggetto. Ho deciso che aveva un punto (HAHAHAHAHA! Un “punto”! Uomo, mi uccido), e mi sono assicurato che quando ho scritto sull’orizzonte degli eventi contro il buco nero stesso mi stavo chiarendo.
Come ho detto sopra, al nucleo che collassa, il suo orologio continua a ticchettare, quindi si vede collassare fino a un punto, anche se l’orizzonte degli eventi ha una dimensione finita.
Cosa succede al nucleo? La massa reale che è crollata?
Qui fuori, non lo sapremo mai con certezza. Non possiamo vedere dentro, e di sicuro non mandera ‘ nessuna informazione. Ma la nostra matematica in queste situazioni è abbastanza buona, e possiamo almeno applicarli al nucleo collassante, anche quando è più piccolo dell’orizzonte degli eventi.
Continuerà a collassare e la gravità aumenta. Più piccolo, più piccolo… e quando ero un bambino ho sempre letto che crolla fino a un punto geometrico,un oggetto senza dimensioni. Questo mi ha davvero infastidito, come puoi immaginare… come dovrebbe. Perché è sbagliato.
Ad un certo punto, il nucleo collassante sarà più piccolo di un atomo, più piccolo di un nucleo, più piccolo di un elettrone. Alla fine raggiungerà una dimensione chiamata Lunghezza di Planck, un’unità così piccola che la meccanica quantistica la governa con un pugno di ferro. Una lunghezza di Planck è una sorta di limite di dimensione quantistica: se un oggetto diventa più piccolo di questo, non possiamo letteralmente sapere molto su di esso con certezza. La fisica reale è complicata, ma praticamente quando il nucleo collassante raggiunge queste dimensioni, anche se potessimo in qualche modo perforare l’orizzonte degli eventi, non potremmo misurare la sua dimensione reale. In realtà, il termine “dimensione reale” in realtà non significa nulla a questo tipo di scala. Se l’Universo stesso ti impedisce di misurarlo, potresti anche dire che il termine non ha significato.
E quanto è piccola la lunghezza di Planck? Teeny tiny: circa 10^-35 metri. E ‘ un centocinquantesimo della dimensione di un protone.
Quindi se qualcuno dice che un buco nero ha dimensioni zero, puoi essere tutto geek e tecnico e dire, non proprio, ma meh. Abbastanza vicino.
Sono sfere. E sicuramente non sono a forma di imbuto.
La gravità che senti da un oggetto dipende da due cose: la massa dell’oggetto e la tua distanza da quell’oggetto. Ciò significa che chiunque ad una data distanza da un oggetto massiccio — diciamo, un milione di chilometri — sentirebbe la stessa forza di gravità da esso. Quella distanza definisce una sfera attorno a un oggetto: chiunque sulla superficie di quella sfera sentirebbe la stessa gravità dall’oggetto al centro.
La dimensione di un orizzonte degli eventi di un buco nero dipende dalla gravità, quindi in realtà l’orizzonte degli eventi è una sfera che circonda il buco nero. Dall’esterno, se potessi capire come vedere l’orizzonte degli eventi in primo luogo, sembrerebbe una sfera nera come la pece.
Alcune persone pensano che i buchi neri siano cerchi o, peggio, a forma di imbuto. La cosa dell’imbuto è un equivoco da parte di persone che cercano di spiegare la gravità come una flessione nello spazio, e semplificano le cose collassando lo spazio 3D in 2D; dicono che lo spazio è come un lenzuolo, e gli oggetti con lo spazio di curvatura di massa nello stesso modo in cui un oggetto massiccio (una palla da bowling, diciamo) Ma lo spazio non è 2D, è 3D (anche 4D se includi il tempo) e quindi questa spiegazione può confondere le persone sulla forma effettiva di un orizzonte degli eventi del buco nero.
Ho avuto dei bambini che mi chiedono cosa succede se ti avvicini a un buco nero da sotto! A volte non capiscono che i buchi neri sono sfere, e non c’è sotto. Biasimo la storia dell’imbuto. Purtroppo, è la migliore analogia che ho visto, quindi siamo bloccati con esso. Usalo con cura.
Buchi neri spin!
È una specie di pensiero strano, ma i buchi neri possono girare. Le stelle ruotano, e quando il nucleo crolla la velocità di rotazione sale (la solita analogia è quella di un pattinatore sul ghiaccio che porta tra le sue braccia, aumentando la sua velocità di rotazione). Quando il nucleo della stella diventa più piccolo, ruota più rapidamente. Se non ha abbastanza massa per diventare un buco nero, la materia viene schiacciata insieme per formare una stella di neutroni,una palla di neutroni a pochi chilometri di distanza. Abbiamo rilevato centinaia di questi oggetti, e tendono a girare molto rapidamente, a volte centinaia di volte al secondo!
Lo stesso vale per un buco nero. Anche se la materia si restringe più piccola dell’orizzonte degli eventi e si perde per sempre nell’Universo esterno, la materia continua a girare. Non è del tutto chiaro cosa significhi se stai cercando di calcolare cosa succede alla questione una volta che è all’interno dell’orizzonte degli eventi. La forza centrifuga impedisce che collassi fino alla lunghezza di Planck? La matematica è diabolica, ma fattibile, e implica che la materia che cade colpirà la materia all’interno dell’orizzonte degli eventi cercando di cadere ulteriormente ma incapace di farlo a causa della rotazione, Questo causa un enorme accumulo e alcuni fuochi d’artificio piuttosto spettacolari that che non vedremo mai, perché è dall’altra parte dell’infinito. Bummer.
Vicino a un buco nero, le cose si fanno strane.
Lo spin del buco nero getta una scimmia nella chiave inglese dell’orizzonte degli eventi. I buchi neri distorcono il tessuto dello spazio stesso, e se girano quella distorsione stessa viene distorta. Lo spazio può essere avvolto attorno a un buco nero, un po ‘ come il tessuto di un foglio che viene coinvolto in una punta rotante.
Questo crea una regione di spazio al di fuori dell’orizzonte degli eventi chiamata ergosfera. È uno sferoide oblato, una forma di palla appiattita, e se sei fuori dall’orizzonte degli eventi ma all’interno dell’ergosfera, scoprirai che non puoi stare fermo. Letteralmente. Lo spazio viene trascinato oltre te e ti porta con sé. Puoi muoverti facilmente nella direzione della rotazione del buco nero, ma se provi a librarti, non puoi. Infatti, all’interno dell’ergosfera lo spazio si muove più velocemente della luce! La materia non può muoversi così velocemente, ma si scopre, secondo Einstein, lo spazio stesso può. Quindi, se vuoi passare il mouse sopra un buco nero, dovresti muoverti più velocemente della luce nella direzione opposta allo spin. Non puoi farlo, quindi devi muoverti con la rotazione, volare via o cadere. Queste sono le tue scelte.
Suggerisco di volare via. Veloce. Perché Approaching
Avvicinarsi a un buco nero può ucciderti in modi divertenti. E per divertimento, intendo raccapricciante, terrificante, e davvero davvero ookie.
Certo, se ti avvicini troppo, plop! Cadi dentro. Ma anche se mantieni la distanza sei ancora nei guai
La gravità dipende dalla distanza. Più sei lontano da un oggetto, più debole è la sua gravità. Quindi, se hai un oggetto lungo vicino a uno massiccio, l’oggetto lungo sentirà una forza gravitazionale più forte all’estremità vicina rispetto a una forza più debole all’estremità lontana! Questo cambiamento di gravità sulla distanza è chiamato forza di marea (che è un po ‘ un termine improprio, non è davvero una forza, è una forza differenziale, e sì, è legato al motivo per cui abbiamo maree oceaniche sulla Terra dalla Luna).
Il fatto è che i buchi neri possono essere piccoli — un BH con una massa di circa tre volte il Sole ha un orizzonte degli eventi a pochi chilometri di distanza — e questo significa che puoi avvicinarti a loro. E questo a sua volta significa che la forza di marea che senti da uno può diventare terribilmente grande.
Diciamo che cadi per primo in una massa stellare BH. Si scopre che mentre ti avvicini, la differenza di gravità tra la testa e i piedi può diventare enorme. ENORME. La forza può essere così forte che i tuoi piedi vengono strappati via dalla tua testa con centinaia di milioni di volte la forza di gravità della Terra. Saresti allungato in un filo lungo e sottile e poi triturato.
Gli astronomi chiamano questa spaghettificazione. Bleah.
Quindi avvicinarsi a un buco nero è pericoloso anche se non cadi. Evidentemente, c’è davvero una marea negli affari degli uomini.
I buchi neri non sono sempre scuri.
Il fatto è che i buchi neri possono uccidere da molto lontano.
La materia che cade in un buco nero raramente, se non mai, cade dritta e scompare. Se ha un po ‘ di movimento laterale, girerà intorno al buco nero. Come più materia cade in, tutta questa spazzatura può accumularsi intorno al buco. A causa del modo in cui gli oggetti rotanti si comportano, questa materia creerà un disco di materiale vorticoso follemente intorno al foro, e poiché la gravità del foro cambia così rapidamente con la distanza, la materia vicina sarà in orbita molto più veloce di roba più lontano. Questa materia si strofina letteralmente insieme, generando calore attraverso l’attrito. Questa roba può diventare molto calda, come milioni di gradi caldi. Materia che si illumina a caldo con intensa luminosità means il che significa che vicino al buco nero, questa materia può essere seriamente luminosa.
Peggio ancora, le forze magnetiche e di altro tipo possono mettere a fuoco due fasci di energia che escono dai poli del disco. I raggi iniziano appena fuori dal buco nero, ma possono essere visti per milioni o addirittura miliardi di anni luce di distanza.
Sono brillanti.
In effetti, i buchi neri che mangiano la materia in questo modo possono brillare così intensamente da diventare gli oggetti più brillanti che emettono continuamente nell’Universo! Chiamiamo questi buchi neri attivi.
E come se i buchi neri non fossero abbastanza pericolosi, la materia diventa così calda prima di fare il tuffo finale che può emettere furiosamente raggi X, forme di luce ad alta energia (e i raggi possono emettere luce ancora più alta di quella). Quindi, anche se parcheggi la tua astronave ben al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, se qualcos’altro cade e viene triturato, vieni ricompensato venendo fritto dall’equivalente di un trilione di esami dentali.
Potrei aver menzionato questo: i buchi neri sono pericolosi. Meglio stare lontano da loro.
I buchi neri non sono sempre pericolosi.
Detto questo, lascia che ti faccia una domanda: se dovessi prendere il Sole e sostituirlo con cristalli Folgers un buco nero della stessa identica massa, cosa succederebbe? La Terra cadrebbe, sarebbe scagliata via, o semplicemente orbiterebbe come fa sempre?
La maggior parte delle persone pensa che la Terra cadrebbe, risucchiata inesorabilmente dalla potente gravità del buco nero. Ma ricorda, la gravità che senti da un oggetto dipende dalla massa dell’oggetto e dalla tua distanza da esso. Ho detto che il buco nero ha la stessa massa del Sole, ricordi? E la distanza della Terra non è cambiata. Quindi la gravità che sentiremmo da qui, a 150 milioni di chilometri di distanza, sarebbe esattamente la stessa! Quindi la Terra orbiterebbe attorno al buco nero solare esattamente come orbita attorno al Sole ora.
Certo, moriremmo congelati. Non puoi avere tutto.
I buchi neri possono diventare grandi.
D: Cosa succede se due buchi neri di massa stellare si scontrano?
A: Ottieni un buco nero più grande.
È possibile estrapolare da lì. I buchi neri possono mangiare altri oggetti, compresi altri buchi neri, in modo che possano crescere. Pensiamo che all’inizio dell’Universo, quando le galassie si stavano appena formando, la materia che si raccoglie al centro della galassia nascente possa collassare per formare un buco nero molto massiccio. Mentre più materia cade, il buco la consuma avidamente e cresce. Alla fine si ottiene un buco nero supermassiccio, uno con milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole.
Tuttavia, ricorda che quando la materia cade può diventare calda. Può essere così caldo che la pressione della luce stessa può soffiare via materiale che è più lontano, un po ‘ come il vento solare, ma su una scala molto più grande. La forza del vento dipende da molte cose, compresa la massa del buco nero; più pesante è il buco, più ventoso è il vento. Questo vento impedisce a più materia di cadere, quindi agisce come una valvola di taglio per il foro sempre più girthy.
Non solo, ma nel tempo il gas e la polvere attorno al buco nero (beh, piuttosto lontano, ma ancora vicino al centro della galassia) si trasformano in stelle. Il gas può cadere in un buco nero più facilmente delle stelle (se le nuvole di gas si scontrano frontalmente il loro movimento rispetto al buco nero può fermarsi, permettendo loro di cadere; le stelle sono troppo piccole e troppo distanti perché ciò accada). Quindi alla fine il buco nero smette di consumare materia perché non vi cade più nulla. Smette di crescere, la galassia diventa stabile e tutti sono felici.
Infatti, quando guardiamo nell’Universo oggi, vediamo che praticamente ogni grande galassia ha un buco nero supermassiccio nel suo cuore. Anche la Via Lattea ha un buco nero al suo centro con una massa di quattro milioni di volte quella del Sole. Prima di iniziare a correre in tondo e urlare, ricorda questo: 1) è molto lontano, 26.000 anni luce (260 quadrilioni di chilometri), 2) la sua massa è ancora molto piccola rispetto ai 200 miliardi di masse solari della nostra galassia, e quindi 3) non può davvero farci del male. A meno che non inizi a nutrirsi attivamente. Ma potrebbe iniziare prima o poi, se qualcosa ci cade dentro. Anche se non sappiamo nulla che possa cadere in esso presto. Ma potremmo perdere il gas freddo.
Hmmm.
Ad ogni modo, ricorda anche questo: anche se i buchi neri possono causare morte e distruzione su larga scala, aiutano anche le galassie stesse a formarsi! Quindi dobbiamo la nostra esistenza a loro.
I buchi neri possono essere a bassa densità.
Di tutte le stranezze sui buchi neri, questo è il più strano per me.
Come ci si potrebbe aspettare, l’orizzonte degli eventi di un buco nero diventa più grande man mano che la massa diventa più grande. Questo perché se aggiungi massa, la gravità diventa più forte, il che significa che l’orizzonte degli eventi crescerà.
Se fai i calcoli con attenzione, scopri che l’orizzonte degli eventi cresce linearmente con la massa. In altre parole, se raddoppi la massa del buco nero, anche il raggio dell’orizzonte degli eventi raddoppia.
È strano! Perché?
Il volume di una sfera dipende dal cubo del raggio (si pensi al liceo: volume = 4/3 x π x radius3). Raddoppia il raggio e il volume sale di 2 x 2 x 2 = 8 volte. Rendere il raggio di una sfera 10 volte più grande e il volume sale di un fattore di 10 x 10 x 10 = 1000.
Quindi il volume aumenta molto rapidamente man mano che aumenti le dimensioni di una sfera.
Ora immagina di avere due sfere di argilla della stessa dimensione. Ammassali insieme. La sfera risultante è due volte più grande?
No! Hai raddoppiato la massa, ma il raggio aumenta solo un po’. Poiché il volume va come raggio cubato, per raddoppiare il raggio della tua palla di argilla finale, dovresti raggrupparne otto.
Ma questo è diverso da un buco nero. Raddoppia la massa, raddoppia la dimensione dell’orizzonte degli eventi. Ciò ha un’implicazione dispari Density
La densità è la quantità di massa imballata in un dato volume. Mantieni le dimensioni uguali e aggiungi massa e la densità aumenta. Aumenta il volume, ma mantieni la massa uguale e la densità diminuisce. Capito?
Quindi ora diamo un’occhiata alla densità media della materia all’interno dell’orizzonte degli eventi del buco nero. Se prendo due buchi neri identici e li collido, la dimensione dell’orizzonte degli eventi raddoppia e anche la massa raddoppia. Ma il volume è salito di otto volte! Quindi la densità effettivamente diminuisce, ed è 1/4 quello che ho iniziato con (due volte la massa e otto volte il volume ti dà 1/4 la densità). Continua a farlo e la densità diminuisce.
Un buco nero regolare — cioè uno con tre volte la massa del Sole — con un raggio dell’orizzonte degli eventi di circa 9 km. Ciò significa che ha una densità enorme, circa due quadrilioni di grammi per cm cubico (2 x 1015). Ma raddoppia la massa e la densità diminuisce di un fattore quattro. Metti 10 volte la massa e la densità scende di un fattore 100. Un miliardo di buco nero di massa solare (grande, ma li vediamo così grandi nei centri di galassie) farebbe cadere quella densità di un fattore di 1 x 1018. Questo gli darebbe una densità di circa 1/1000 di grammo per cc and e questa è la densità dell’aria!
Un miliardo di buco nero di massa solare avrebbe un orizzonte degli eventi di 3 miliardi di km di raggio — all’incirca la distanza di Nettuno dal Sole.
Vedi dove sto andando qui? Se si dovesse corda fuori il sistema solare oltre Nettuno, racchiuderlo in una sfera gigante, e riempirlo con aria, sarebbe un buco nero!
Questa, per me, è di gran lunga la cosa più strana dei buchi neri. Certo, deformano lo spazio, distorcono il tempo, giocano con il nostro senso di ciò che è reale e non lo è… ma quando toccano il quotidiano e si avvitano con quello, beh, questo è ciò che mi fa.
Ho pensato a questo in una conferenza buco nero a Stanford qualche anno fa. Stavo camminando con il noto esperto di buchi neri Roger Blandford quando mi ha colpito. Ho fatto un rapido calcolo mentale per assicurarmi di avere i numeri giusti, e riferii a Roger che un sistema solare pieno d’aria sarebbe stato un buco nero. Ci pensò per un momento e disse: “Sì, sembra giusto.”
E quello, me droogs, è stato uno dei momenti più belli della mia vita da buco. Ma pensarci mi fa ancora male al cervello.
Conclusione
Bene, cosa posso dire? I buchi neri sono strani.
Come succede, c’era molto di più che si poteva dire su di loro, ovviamente. E i wormhole? E come si formano? e le radiazioni di Hawking? I buchi neri possono evaporare completamente?
Puoi trovare le risposte a queste e ad altre domande altrove sul web (e anche su questo stesso blog); non ho potuto coprire tutto in sole dieci sezioni! Ma noterò (shocker) quel capitolo 5 del mio libro Death from the Skies! parla in dettaglio di come si formano e cosa possono fare se ti avvicini troppo a loro. I capitoli successivi parlano anche del buco nero nel nucleo della Via Lattea e di cosa accadrà ai buchi neri tra molto tempo literally letteralmente, 1060, 1070, anche a googol anni da oggi.
Ma anche allora, non è la cosa più spaventosa dei buchi neri. Quasi non l’ho messo nel post, è così sopra le righe terribilmente terrificante. Ma io sono uno scienziato, e siamo scettici qui, quindi possiamo accettarlo. Quindi vi presento, la cosa peggiore dei buchi neri di tutti: