La Via Lattea e la distorsione causata da un ipotetico buco nero.

Nell’Universo profondo, si aggirano “mostri”  invisibili: i buchi neri. Tanto imponenti quanto affascinati, i buchi neri sono tra gli oggetti più misteriosi e poco conosciuti dell’intero Universo.

E proprio qualche giorno fa, il team guidato dall’astronomo cinese Xue-Bing Wu, della Peking University di Pechino, ha osservato quello che finora è il più antico buco nero mai scoperto, databile “appena” 900 milioni di anni dopo il Big Bang. La luce proveniente dalla materia circostante il buco nero ha impiegato quasi 13 miliardi di anni per raggiungere la Terra: stiamo parlando di un oggetto estremamente lontano, nello spazio e nel tempo!

La sua massa è pari a 12 miliardi di volte quella del Sole. Proprio per la loro imponente massa, questi buchi neri sono chiamati supermassicci e si pensa che possano trovarsi al centro di più galassie, che risucchino materiale interstellare per raggiungere tale massa e che siano generati dalla fusione di più buchi neri.

Perché “buchi neri”?

Rappresentazione artistica di un buco nero.

Come un buco nero distorce lo spazio-tempo.

La prima domanda che ci si può fare è innanzitutto perché l’appellativo “buchi”? E soprattutto perché “neri”?

Facile rispondere a entrambe se si pensa a cosa succede alla materia che gravita in prossimità di uno di questi oggetti: tutto ciò che si avvicina troppo, oltre un certo limite, chiamato orizzonte degli eventi, non può più tornare indietro e viene risucchiato; inoltre, la forza di gravità esercitata da un buco nero è talmente elevata che neanche la luce può sfuggirgli. Questo significa che la velocità di fuga di un buco nero è più alta della velocità della luce stessa, pari a 300.000 Km/s.

Per questo motivo non è possibile osservare direttamente un buco nero, ma si possono vedere gli effetti che la sua presenza provoca nella materia, in particolare la distorsione della curvatura spazio-temporale circostante; inoltre un buco nero espelle radiazioni e materia sotto forma di getto lungo l’asse di rotazione.

Da dove vengono i buchi neri?

Ma da cosa sono generati tali oggetti estremi?

Un buco nero può per esempio nascere dalla morte di una stella. Questo dipende dalla massa della stella stessa: stelle come il Sole sono considerate medie e il loro collasso gravitazionale non porta alla formazione di un buco nero. Ma una stella che avesse 3 o 4 volte la massa del nostro Sole, collassando darebbe origine a una stella di neutroni o a un buco nero.

I buchi neri supermassicci invece possono essere molto antichi, proprio come quello studiato dal team cinese, e solitamente risucchiano grandi quantità di massa e liberano radiazioni attraverso il getto assiale. Si pensa che all’interno dei nuclei galattici ci siano buchi neri supermassicci, senza esclusione per la Via Lattea.

Raggi cosmici

Un Buco nero e i suoi getti assiali.

Un Buco nero risucchia una stella vicina.

Se una stella ha la sfortuna di gravitare in prossimità di un buco nero, quest’ultimo spilla costantemente, ma inesorabilmente, materia dagli strati esterni della stella stessa. La caduta della materia all’interno del buco nero genera energia cinetica che alimenta l’emissione di radiazione. Questo sitema binario prende il nome di microquasar. E’ interessante guardare a questo tipo di sistema poiché, nonostante i buchi neri sembrino già speciali se consideriamo tutte le loro caratteristiche estreme, come spesso succede, è quello che non si vede a essere ricco di informazioni più profonde, di dinamiche nascoste ma importantissime. La chiave del mistero probabilmente risiede nei raggi cosmici che un buco nero (in particolare se supermassiccio) emette. I raggi cosmici derivanti dall’energia cinetica associata alla materia risucchiata in un buco nero subiscono accelerazioni elevatissime e raggiungono la Terra praticamente indisturbati. Nonostante questo renda difficilissimo riuscire a rilevarli, i raggi cosmici conservano praticamente intatta l’informazione energetica della sorgente da cui provengono, candidandosi a essere i custodi designati dei segreti del nostro Universo.

Avvicinandosi a un buco nero

Facciamo il punto: finora sappiamo che i buchi neri sono oggetti supermassicci che emettono radiazioni, risucchiano la materia che li circonda e sono originati dal collasso di stelle particolarmente massicce o risalgono agli albori dell’Universo.

Ma immaginiamo per un attimo di gettare lo sguardo oltre l’orizzonte degli eventi, “il punto di non ritorno”. Immaginiamo di non essere nello spazio siderale, ma di nuotare in mare in prossimità di un mulinello. Se ci teniamo a debita distanza dal mulinello, siamo liberi di nuotare in qualsiasi direzione. Non appena ci avviciniamo all’orizzonte degli eventi del nostro mulinello, sempre più percorsi tenderanno a convergere verso di esso, finchè, una volta superato un certo limite (l’orizzonte degli eventi, appunto), tutti i percorsi tenderanno verso il centro del mulinello. Tornando nello spazio, questo significherebbe non poter più uscire da un buco nero.

Dentro un buco nero: teorie in contraddizione

La domanda che sorge spontanea ora è: cosa succede alla materia che supera l’orizzonte degli eventi di un buco nero?

La risposta a questa domanda è fonte di accesi dibattiti e rischia di mettere in dubbio l’intera teoria della relatività generale se non la meccanica quantistica stessa. Infatti uno dei principi basilari della moderna meccanica quantistica è l’assunzione che un sistema in evoluzione conserva sempre le informazioni relative al suo stato iniziale. Se si pensa ai buchi neri, non è possibile a priori risalire allo stato iniziale, ossia a cosa ne ha causato la formazione. Seguendo le regole della meccanica quantistica e considerando il buco nero come qualcosa di eterno, fin qui nessuna contraddizione: le informazioni iniziali ci sono da qualche parte, semplicemente non possiamo accedervi. Ma se invece si considerare il buco nero come qualcosa che in tempi molto lunghi tende a estinguersi, allora vuol dire che l’informazione contenuta in esso andrà perduta e non sarà più recuperabile. Una delle teorie che cerca di risolvere la contraddizione legata alle informazioni iniziali è la teoria delle stringhe, che riconfigura la struttura interna dei buchi neri rispetto alla teoria classica: non più una singolarità con intensità infinita al centro, ma qualcosa di più complesso che si estende su più dimensioni e che consentirebbe la fuoriuscita dell’informazione dal buco nero, anche se in tempi estremamente lunghi.

Misteri, teorie e futuro

Rappresentazione di un ponte di Einstein-Rosen.

Risolta la contraddizione sull’informazione, la domanda resta: cosa c’è dentro un buco nero?

Le congetture sono tante: per esempio un osservatore che accidentalmente cadesse al di là dell’orizzonte degli eventi, potrebbe non accorgersene affatto! Inoltre bisogna ricordare la postulazione dei cosiddetti ponti di Einstein-Rosen, dei veri e propri cuniculi spazio temporali in grado di collegare due regioni diverse dello stesso Universo o di due Universi paralleli. Sebbene tutto questo suoni come fantascienza, molti aspetti di queste teorie sono stati dimostrati, come per esempio l’attraversabilità di un ponte di Einstein-Rosen. Ma l’applicabilità alla realtà fisica è ovviamente estremamente complessa da provare.

Il mistero che avvolge i buchi neri, così come gli altri oggetti misteriosi del cosmo, continuerà ad alimentare nuove teorie e a mantenere vivo il dibattito su uno dei temi scientifici più caldi e più importanti per completare un importante capitolo nel libretto d’istruzioni del nostro Universo.

 di Michele Mione

Fonti:

http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero – Pagina Wikipedia dedicata ai buchi neri

http://www.nature.com/news/young-black-hole-had-monstrous-growth-spurt-1.16989 – La scoperta del team cinese pubblicata sulla rivistaNature

http://www.asimmetrie.it/index.php/nel-buio-dei-buchi-neri – “Nel buio dei buchi neri”, Gianguido Dall’Agata, Asimmetrie – Rivista ufficiale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Aprile 2013

http://www.asimmetrie.it/index.php/masse-estreme – “Masse estreme”, Gianguido Dall’Agata, Asimmetrie – Rivista ufficiale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Aprile 2013

http://www.asimmetrie.it/index.php/voci-dell-universo – “Voci dell’Universo”, Paolo Lipari, Asimmetrie – Rivista ufficiale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Settembre 2010

Cern di Ginevra.

Oggigiorno sono in molti a vedere il nucleare come esclusiva fonte di energia, con i suoi pericoli e vantaggi, ma in pochi riescono a intravedere il suo potenziale a livello scientifico. Tra quei pochi spicca il CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare), un organo provvisorio istituito nel 1952 con lo scopo di creare in Europa un’organizzazione a livello mondiale per la ricerca nel campo della fisica fondamentale.

La storia
Alla fine della Seconda Guerra Mondiale, le conoscenze europee sulle particelle erano già state ampiamente superate dagli studi degli scienziati americani. Un gruppo di studiosi e politici concepirono allora un laboratorio europeo di fisica atomica. Tra questi pionieri vi erano: Raoul Dautry, Pierre Auger, Lew Kowarsk (dalla Francia), Edoardo Amaldi (dall’Italia) e Niels Bohr (dalla Danimarca). Un laboratorio del genere avrebbe unito gli scienziati europei e avrebbe fatto fronte ai crescenti costi degli impianti di fisica nucleare. La prima proposta formale per la creazione di un laboratorio europeo fu pronunciata dal Premio Nobel per la fisica Louis de Broglie nel 1949, durante la Conferenza europea della Cultura di Losanna, ma passarono due anni (Dicembre 1951) prima che si decidesse di istituire un consiglio europeo per la ricerca. Undici Paesi firmarono un accordo che dava vita al Consiglio Provvisorio e con esso nasceva il CERN (la scelta di installare a Ginevra il laboratorio venne presa successivamente a seguito di un referendum tenutosi nel cantone di Ginevra nel Giugno del 1953). Il 29 settembre del ’54, dopo la rettifica di Francia e Germania, viene ufficialmente istituita l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (sebbene venga conservato l’acronimo CERN). Con la Convenzione istitutiva del 1954 vennero fissati gli obiettivi principali dell’Organizzazione: gli Stati europei aderenti si impegnavano a collaborare tra di loro nella ricerca nucleare, stabilendo espressamente che i frutti del loro lavoro fossero interamente accessibili a tutti e senza scopi militari (“The Organization shall provide for collaboration among European States in nuclear research of a pure scientific and fundamental character (…). The Organization shall have no concern with work for military requirements and the results of its experimental and theoretical work shall be published or otherwise made generally available”). Il documento, inoltre, promuoveva programmi di formazione avanzata, scambi di informazioni e di ricercatori tra i laboratori, nonché una cooperazione nella ricerca tecnologica”).

Gli Stati membri
I Paesi membri, nonché fondatori del CERN, sono: Belgio, Danimarca, Francia, Germania, Grecia, Italia, Norvegia, Paesi Bassi, Regno Unito, Svezia e Svizzera. Ai quali si sono aggiunti: Austria, Spagna, Portogallo, Finlandia, Polonia, Ungheria, Repubblica Ceca, Slovacchia, Bulgaria e Romania.

Cosa fa il CERN?
I fisici del Cern studiano la materia utilizzando degli acceleratori di particelle, ossia macchine che accelerano i fasci di particelle fino a farli collidere l’uno contro l’altro. L’energia che scaturisce da questa collisione è molto grande e vuole cercare di riprodurre le condizioni esistenti pochi istanti dopo il Big Bang.
Gli acceleratori furono inventati per studiare la struttura del nucleo dell’atomo. Possono essere di due tipi: circolari, a forma di anello, all’interno dei quali le particelle sono guidate da campi magnetici e incrementano la loro energia ad ogni giro (sono anche gli acceleratori più grandi!); lineari, dove le particelle viaggiano da un capo all’altro.

Cos’è l’LHC?
Per raggiungere velocità sempre più elevate, il CERN ha creato un complesso di acceleratori. Tra questi, il Grande Collisore di Adroni, o LHC (Large Hadron Collider), è la macchina più potente mai realizzata finora e tuttora in fase di messa a punto, installata in un tunnel di 27 km di circonferenza, scavato tra 50 e 150m sotto terra tra le montagne del Giura francese e il lago di Ginevra, e progettata per sostituirsi al LEP (Large Electron Positron Collider).

Il LEP, nonché “antenato” dell’LHC era un acceleratore in grado di accelerare gli elettroni e i positroni fino a 100 GeV, velocità prossima a quella della luce, il cui scopo era verificare l’esistenza del bosone Higgs (possibile causa dell’esistenza stessa della materia, vedi http://www.massacritica.eu/studiare-linvisibile-il-bosone/1927/ ).

Il funzionamento dell’LHC? Questo acceleratore produrrà collisioni frontali tra due particelle dello stesso tipo, protoni o ioni di piombo. In un primo momento, la catena di acceleratori del CERN creerà i fasci di particelle, che verranno successivamente iniettati nell’LHC, quindi guidati nel circuito da magneti superconduttori (1800 in tutto!) a temperature estremamente basse, in modo da ricreare le condizioni dello spazio intergalattico. Lo scopo degli esperimenti è quello di studiare i milioni di particelle liberate durante la collisione. Tutto il processo di collisione verrà rilevato attraverso quattro enormi rilevatori di particelle distribuiti lungo l’LHC: ALICE, ATLAS, CMS e LHCb.

Cos’è l’ATLAS?
Reso operativo tra il 2009 e il 2010, l’ATLAS è il rilevatore più grande e complesso mai realizzato prima.  Un rilevatore di particelle è un dispositivo usato per rilevare il passaggio di una particella e consente agli scienziati di ricostruire un evento. I vari strati del rilevatore tracciano le traiettorie delle particelle cariche, misurando l’energia di quelle più cariche e di quelle neutrali. La curvatura delle tracce delle particelle nel campo magnetico permette di determinarne il moto e le cariche elettriche. Di tutte le milioni di collisioni al secondo, solo alcune sono utili ai fini di nuove scoperte ed è proprio il sistema di rilevamento, detto Sistema Trigger, a fare una scrematura delle informazioni superflue. Per questo, l’ATLAS registra solo l’equivalente di 27 CD di dati al minuto, invece dei reali 100000 CD al secondo! I backup di tutti i dati rilevati vengono fatti da 12 centri di raccolta dati, distribuiti nelle varie università e istituti di ricerca, collegati tra loro attraverso un sistema di fibre ottiche, mentre per tutti gli altri computer è possibile richiedere questi dati via Internet. I centri di raccolta si trovano: presso la sede del CERN, due negli Stati Uniti, Taiwan, Vancouver, Bologna, Barcellona, Lione, Amsterdam, Copenaghen, Oxford e Karlsruhe. Questa grandissima quantità di informazioni viene inviata da un centro di analisi all’altro attraverso un sistema chiamato Data Grid.

Sistema di magneti.

Spettrometri muonici.

Calorimetri.

Rilevatore interno.

Come è fatto l’ATLAS?
Il rilevatore ATLAS è costituito da una serie di cilindri concentrici attorno al punto di interazione, ossia il punto dove avviene la collisione tra i fasci di protoni dell’LHC.
I quattro componenti principali dell’ATLAS sono:
– rilevatore interno: misura il moto di ogni particella carica;
– calorimetri: misurano l’energia accumulata dalle particelle;
– spettrometri muonici: identificano e misurano il moto dei muoni, particelle fondamentali con carica elettrica negativa;
– sistema di magneti: deflette le particelle cariche nel rilevatore interno e nello spettrometro muonico, per misurarne il moto.
L’LHC e l’ATLAS sono fondamentali nella ricerca dell’antimateria, poiché permettono di ricreare le condizioni dell’universo pochi istanti dopo il Big Bang, quando la quantità di materia era pari a quella di antimateria.
L’obiettivo è quello di capire perchè nella creazione del sistema solare, del nostro pianeta e delle galassie sia stata utilizzata soltanto una parte della materia. La soluzione di questo mistero consentirebbe anche di scoprire come le particelle acquistano massa e qual è il rapporto tra massa ed energia.
Ai posteri, vedere se l’LHC riuscirà a colmare questo vero e proprio buco nero!

di Sara Pavesi

Fonti:
http://www.atlas.ch/
http://home.web.cern.ch/
http://public.web.cern.ch/public/