I buchi neri non sono né buchi né neri

Che cosa sono queste robe che intrappolano la luce anche se viaggia alla velocità della luce e che possono avere infilare camionate di materia, per esempio caffè, in una una moka creando l’espresso più denso dell’universo? Sono i buchi neri.

O almeno, così li hanno chiamati.

Perché, SORPRESA, non sono né buchi né neri.

Perché i buchi neri non sono buchi?

L’idea generale è che i buchi neri siano famelici, che siano in grado di trangugiare ogni tipo di materia che spiraleggia troppo vicino. E fin qua, va bene. Ma bisogna tenere a mente che questo succede per un motivo preciso: la gravità del buco nero, così come è descritta dalla Relatività Generale. Questo perché la Relatività dice che un oggetto molto massiccio curva tantissimo lo spazio intorno a sé; questa curvatura che si produce è il motivo per cui la materia cade sul buco nero. È un po’ come quando io ho delle robe sul divano, poi mi siedo sul divano e le robe mi finiscono sotto al sedere. La gravità e lo spazio si comportano come una persona che si siede su un divano.

Quindi, non c’è nessun buco nell’universo. Per essere onesti, la Relatività prevede l’esistenza dei ponti di Einstein-Rosen, ovvero quelli che in inglese si chiamano wormhole – che si potrebbe tradurre come buco prodotto da un verme, ma forse sarebbe meglio dire porzione di universo in cui l’universo si piega su se stesso per “accorciare” le distanze. Esatto: come un verme che cammina sulla superficie di una mela e poi decide di andare dall’altra parte con un bel cunicolo nella polpa.

Ecco, se parliamo di wormhole sembrerebbe inevitabile parlare di buchi nello spazio, anzi di buchi neri che fungono da porte per il cunicolo che collega due punti in realtà distanti dell’universo.

Tuttavia non ci sono evidenze sperimentali che questa scorciatoia spaziale possa esistere. Chissà.
Non solo: le analogie sono buone fino a un certo punto. L’idea che l’universo sia un foglio di carta forato e collegato da una penna rende bene l’idea per capire che cos’è un wormhole, ma ciò non vuol dire che lo spazio sia bucato. Piuttosto, ciò che accade è che una densità estremamente elevata tende a curvare lo spazio (e il tempo) in modi assolutamente incomprensibili alle nostre vite quotidiane. Arriviamo cioè al limite dell’analogia.

Questo vale per molti concetti, come per esempio l’espansione dell’universo vista come se fosse un palloncino che si gonfia. Per esprimere alcuni concetti va bene, ma per andare più a fondo anche no.

Quindi, ricapitolando: i buchi neri non sono dei buchi. I buchi neri sono oggetti estremamente densi dell’universo in cui se la luce entra poi non può più uscire.

Perché i buchi neri non sono neri?

Lo sanno tutti: i buchi neri sono neri perché non possiamo vederli direttamente come facciamo con le stelle che emettono luce ed energia: nulla può sfuggire da lì e sono oggetti oscuri. Nulla nulla? Siamo sicuri?

A complicare le cose ci pensa la meccanica quantistica. Perché, direte voi? Perché la meccanica quantistica dice una cosa tanto bella quanto assurda. Cioè che esiste un principio, chiamato principio di indeterminazione, per il quale non possiamo conoscere con la precisione che ci pare, contemporaneamente, le misure dell’energia di uno stato fisico e dell’intervallo di tempo in cui quello stato si trova a una certa energia. Quindi ciò vuol dire che, anche nel vuoto, si potrebbe creare per un brevissimo intervallo di tempo una certa quantità di energia. E siccome, lo dice la relatività energia uguale a massa, allora da questa energia che viene a generarsi può crearsi una coppia di particelle.

Wow, addirittura si crea energia dal vuoto! Attenzione a non entusiasmarsi troppo: queste coppie di particelle hanno una vita brevissima.

Ma nei pressi dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, quello che potremmo chiamare punto-di-non-ritorno, magari può capitare che il campo gravitazionale del buco nero entri in gioco e riesca a dividere la coppia: una particella scappa via e uno cade nel buco nero.

Questa perdita di energia che man mano avviene, comporta una progressiva perdita di massa del buco nero. Tale fenomeno è chiamato meccanismo di evaporazione di Hawking e purtroppo non è ancora mai stato osservato. A seguito di questo meccanismo i buchi neri emettono energia, evaporano e scompaiono. Puff!

Una coppia (virtual pair) composta da particella e anti-particella si forma a causa del principio di indeterminazione. Nei pressi dell’orizzonte (horizon) del buco nero (black hole) una particella della coppia cade nel buco nero (colpa della gravità), un’altra (Hawking particle) magari sfugge e così parte dell’energia del buco nero scappa lontano: il buco nero evapora.

 

Messa così sembra di aver vissuto tutta la vita in una bugia: i buchi neri non sono né buchi né neri e il Big Bang non è un’esplosione. Invece non siamo stati ingannati dalla scienza, bensì dagli scienziati e dall’incessante ricerca della giusta analogia.

Se da un lato le analogie aiutano a capire, dall’altro è sempre necessario fare le giuste premesse e distinzioni, altrimenti si rischia di scavare molto a fondo nei pregiudizi scientifici delle persone che sono appassionate di capire meglio come funziona l’universo. A volte capita di appassionarsi ai concetti solo per il loro nome; in realtà, sono spesso la matematica e la fisica a svelare la bellezza insita in ciò che l’ingegno umano realizza per provare a capire come funziona l’universo.

Le stelle cadenti di agosto: le Perseidi

Quando arriva agosto arrivano anche le cosiddette “stelle cadenti” in cielo. È uno spettacolo imperdibile.

In realtà le stelle cadenti si possono vedere un po’ tutto l’anno, ma complice le temperature gradevoli (se non roventi) quelle di agosto sono sicuramente tra le più affascinanti.

Partiamo chiarendo subito una cosa: non si tratta di stelle che cadono. Quelle scie che vediamo in cielo tra il 10 e il 12 agosto ogni anno si chiamano più propriamente meteore e, nella fattispecie, Perseidi. Tranquilli, adesso vi spiego tutto per bene. Mettetevi comodi così poi farete una gran bella figura con amici e parenti.

Le stelle cadenti non sono stelle

Una stella è una palla di gas, principalmente idrogeno ma anche un po’ di elio e altri elementi. Il Sole, per esempio, è una stella: nel suo nucleo la densità è così elevata (perché tutta la stella con il suo peso schiaccia ciò che c’è nel nucleo) e l’idrogeno si accoppia nel formare l’elio. Questo processo si chiama fusione nucleare ed è il processo che produce la luce del Sole (e di una stella in generale) che prendiamo al mare.

Per saperne di più su come funziona una stella, guardate questo mio video.

Le stelle sono corpi celesti molto più grandi dei pianeti: guardate questo video che mette a confronto non solo le dimensioni del Sole con i pianeti del Sistema solare, ma anche le dimensioni del Sole con quelle delle altre stelle.

È già abbastanza chiaro dunque che quelle che vediamo in cielo non possono essere stelle, altrimenti a quest’ora saremmo già tutti morti se palle gigantesche roventi ci cadessero addosso. Ma non possono essere neanche pezzi di stelle, perché le altre stelle della nostra galassia sono molto lontane dal Sole. Per esempio, la stella più vicina al Sole è Proxima Centauri: questa stella è distante 40 mila miliardi di km. Se anche questa stella viaggiasse alla velocità della luce (e non è possibile) impiegherebbe 4 anni circa per arrivare da noi. Inoltre, se una grossa stella si scontra con il Sistema solare, vedere le “stelle cadenti” in cielo sarebbe l’ultimo dei problemi, ve lo assicuro.

Se le stelle cadenti non sono stelle, allora che cosa sono?

Questa domanda se la sono posta un po’ tutti in passato, ma il primo che ebbe un’intuizione felice fu Giovanni Schiaparelli, astronomo e anche senatore del Regno d’Italia. Siamo infatti nel 1867 e Schiaparelli si mette a studiare proprio le Perseidi, le “stelle cadenti” di agosto e si accorge di una cosa fondamentale: le “stelle cadenti” sembrano trovarsi proprio lungo l’orbita di una cometa, per la precisone la cometa Swift-Tuttle.

Giovanni Virginio Schiaparelli ritratto nel 1890. Schiaparelli è anche noto per una vicenda (puramente linguistica) dovuta ai canali marziani, ma di questo parleremo un’altra volta.

Questa cometa fu scoperta – indipendentemente – solo qualche anno prima, nel 1862, da Lewis Swift e Horace Parnell Tuttle. Anni di osservazione degli astronomi alla fine confermano l’ipotesi di Schiaparelli: le “stelle cadenti” d’agosto sono i resti della cometa Swift-Tuttle durante il suo passaggio attorno al Sole.

Poi, negli anni, ci si rende conto che in realtà questo vale anche per gli altri sciami di stelle cadenti che si verificano durante l’anno. Per esempio, le Acquaridi, che si verificano tra aprile e maggio, sono causate dai detriti lasciati dalla celeberrima cometa di Halley.

Che cosa sono le comete?

Le comete sono palle di ghiaccio e roccia che orbitano attorno al Sole.

Questa è la cometa 67/P. Tutte le comete appaiono così quando sono lontane dal Sole.

Le comete in generale provengono da una zona periferica del Sistema solare chiamata Nube di Oort: quando la loro orbita viene perturbata per qualche motivo – per esempio dal moto degli altri corpi presenti nella Nube di Oort – una cometa può iniziare a cadere verso il Sole.

Ecco dove si trova la Nube di Oort rispetto alle orbite dei pianeti (non è proprio tutto in scala in questo disegno, ma almeno rende l’idea).

Quando cade verso il Sole una cometa inizia ad avvicinarsi a una zona in cui l’influenza della luce proveniente dalla stella comincia ad avere effetto: si formano così le due code della cometa.

Le due code della cometa Hale-Bopp

Già capite che le comete hanno una certa tendenza a perdere materiale. Durante il loro tragitto attorno al Sole lo fanno e poi magari capita che la Terra attraversi proprio una regione di spazio che attraversa pure la cometa (in istanti diversi si spera, altrimenti famo er botto). Quei detriti lasciati da una cometa, quando poi cadono nell’atmosfera terrestre formano le “stelle cadenti”.

Come si formano le scie delle stelle cadenti

Assodato che non abbiamo a che fare con pezzi di stelle, ma con pezzi di cometa, possiamo stare più tranquilli. I detriti delle comete hanno dimensioni che vanno dalle frazioni di millimetro a, quando proprio esageriamo, circa qualche metro. Ma tranquilli: l’atmosfera terrestre è abbastanza spessa e densa da fare piazza pulita. Infatti quando questi detriti cadono sulla Terra ecco che avviene il fenomeno che provoca le classiche scie che tanto ci piacciono.

Questo fenomeno non avviene a causa dell’attrito tra i detriti e l’atmosfera: questa spiegazione è sbagliata.

La spiegazione giusta è questa: quando un detrito entra nell’atmosfera, cade verso la Terra e comprime l’aria davanti a sé. Quest’aria compressa si scalda e il calore prodotto fa evaporare il detrito. Siccome questo processo avviene in caduta, ecco che si forma la classica scia.

Tecnicamente, questa scia che vediamo è ciò che si chiama meteora, ma ora provo a essere più chiaro su questo punto.

Meteora o meteorite?

Agli astronomi piace dare nomi alle cose. Dunque, una meteora è la scia che un detrito lascia dietro di sé quando si consuma completamente nell’atmosfera. Un meteorite invece è un pezzo detrito che riesce ad arrivare fino alla superficie terrestre. Sia la meteora sia il meteorite prima di cadere sono chiamati meteoroidi. Questo piccolo schema qui sotto dovrebbe rendere tutto più chiaro.

Per finire: dove guardare in cielo per osservare le meteore Perseidi?

Le Perseidi si chiamano così perché la zona di cielo da cui sembrano tutte originarsi è quella della costellazione di Perseo. Per trovare questa costellazione dovete guardare a nord est sotto la caratteristica costellazione di Cassiopea (quella che sembra una lettera W).

Dunque, anche quest’anno come negli scorsi anni, tutti a mettere il naso all’insù per goderci lo spettacolo delle meteore Perseidi nelle belle notti estive italiane. E ora che conoscete tutta la scienza che c’è dietro questo fenomeno, vi è concesso anche essere abbastanza romantici, tanto poi sapete spiegare tutto e farete bella figura, come tutti coloro che leggono Quantizzando del resto. Buon universo a tutti!

C’è una cometa visibile a occhio nudo in cielo: C/2020 F3 (Neowise)

In queste sere è possibile ammirare in cielo a occhio nudo la cometa C/2020 F3 (Neowise).

La cometa Neowise sarà visibile tutto il mese, fino ai primi di agosto. Finora è stata visibile soprattutto nelle prime ore del mattino, ma in questi giorni (11-13 luglio) sarà possibile ammirarla a occhio nudo in tutto il suo splendore nelle ore serali guardando verso nord-ovest: dovreste riuscire a vedere la cometa bassa all’orizzonte.

A partire dal 14 luglio e fino al 23 luglio, la cometa Neowise sarà visibile per tutta la durata della notte, quindi sarà possibile osservarla praticamente a qualunque ora non appena fa abbastanza buio. Proprio la notte tra il 22 e il 23 luglio poi, la cometa Neowise si troverà alla minima distanza dalla Terra, a circa 103 milioni di km dal nostro naso: la potrete scovare nella costellazione dell’Orsa Maggiore (dove c’è il grande carro, per intenderci e a due passi cosmici dalla stella polare).

Orbita della cometa Neowise. Ma come facciamo a sapere che un sasso spaziale è una cometa e non un asteroide? Ve lo racconto qui.

La sonda NASA Parker Probe, che studia il Sole come mai nessuna sonda ha fatto finora, è riuscita a scattare un meraviglioso ritratto della cometa Neowise in cui sono visibili entrambe le code (se non sapete perché una cometa ha due code, allora dovete leggere questo – così evitate brutte figure queste sere di luglio quando guardate la cometa con gli amici e con le amiche). Ecco qua la foto della Parker Solar Probe.

Se vi state chiedendo perché non abbia parlato prima, beh avete ragione e spero possiate perdonarmi. In parte perché ho faticato a scrivere sul blog in quest’ultimo periodo (c’erano gli esami di maturità!) ma anche perché dopo il passaggio della cometa al suo perielio, cioè al punto di minima distanza dal Sole, non era detto che la cometa Neowise potesse sopravvivere: la cometa ha raggiunto temperature anche superiori a 250°C e il rischio disintegrazione (già visto in altre comete recenti purtroppo) era dietro l’angolo. Il perielio è avvenuto a fine giugno 2020: queste immagini della sonda NASA SOHO mostrano la cometa Neowise nel suo approccio al Sole (il Sole è stato opportunamente schermato per permettere la visione della cometa). Per fortuna le cose sono andate diversamente e ora in queste sere possiamo goderci la cometa Neowise.

La cometa Neowise, avvicinandosi alla Terra ha aumentato la sua luminosità apparente (quella che gli astronomi chiamano magnitudine) fino a un valore pari a zero (più la magnitudine è bassa, o addirittura negativa, più l’oggetto è luminoso in cielo; più la magnitudine è grande e positiva, più l’oggetto è debole in cielo). Una magnitudine tra zero e uno vuol dire un oggetto con una luminosità tra la stella Antares (nella costellazione dello Scorpione) e Vega (costellazione della Lira), così per darvi un’idea di che cosa aspettarsi. Mi raccomando andate in posti non troppo devastati dall’inquinamento luminoso dei centri abitati se volete godervi lo spettacolo e cieli sereni, soprattutto!