Tipi di buchi neri
Esistono quattro tipi di buchi neri in base alla loro massa: stellari, intermedi,
I buchi neri di massa stellare sono piccoli ma mortali
La Via Lattea contiene circa cento milioni di neribuchi che si sono formati a seguito del collasso di stelle molto massicce. Ciascuno di questi buchi neri stellari pesa circa 10 volte il nostro Sole. Pochissimi di questi buchi neri si trovano in prossimità di una stella normale che si riversa lentamente in un buco nero. Quando questo gas cade verso il buco nero, viene riscaldato da una forte gravità e attrito. Vicino a un buco nero, il gas raggiunge una temperatura tipica di 10 milioni di gradi Celsius. Queste sorgenti di raggi X dai buchi neri sono facili da osservare in tutta la Via Lattea, così come nelle galassie vicine, utilizzando osservatori di raggi X in orbita.
È interessante notare che qualsiasi buco nero completamenteè descritto da due soli numeri che ne determinano la massa e la velocità di rotazione. Non conosciamo niente di più semplice di una particella elementare come un elettrone. Gli scienziati del CFA hanno misurato entrambi questi parametri fondamentali - massa e spin - per oltre una dozzina di buchi neri stellari, studiando tutti gli aspetti di questi buchi neri e dei loro sistemi.
Nonostante la sua ubiquità nell'universo,i buchi neri rimangono oggetti estremamente misteriosi. Abbiamo bisogno di una teoria della gravità quantistica che combini la teoria della relatività di Einstein del 1916 con la teoria della meccanica quantistica del 1926. Una tale teoria non esiste, nonostante decenni di sforzi teorici da parte dei fisici che studiano la teoria delle stringhe e altri. La creazione della teoria della gravità quantistica diventerà la corona della fisica alla pari dei risultati di Newton, Einstein e altri giganti.
Medium Mass Black Hole (IMBH) - Bloccato nel mezzo
Tra le classi di magnitudo stellare dei buchi neriE per i supermassicci deve essercene un altro intermedio. In ogni caso, secondo le leggi della logica. Non dovrebbero esserci buchi neri di medie dimensioni che facciano la differenza tra buchi neri di massa stellare e buchi neri supermassicci? Queste masse medie cosmiche, che possono variare da circa 100 a 1 milione di masse solari (anche se l'intervallo esatto varia a seconda di chi chiedi) sono chiamate buchi neri di massa intermedia, IMBH). E sebbene gli astronomi abbiano trovato diversi candidati convincenti per l’IMBH sparsi in tutto l’Universo, la questione se esistano effettivamente è ancora irrisolta. Tuttavia, le prove cominciano ad accumularsi.
Sebbene la prova definitiva dell'esistenzaIMBH rimane sfuggente, con una serie di studi negli ultimi decenni che hanno scoperto prove intriganti che suggeriscono l'esistenza di questi buchi neri non molto grandi, non molto piccoli.
Un'illustrazione di un giovane buco nero, come due lontani quasar senza polvere recentemente scoperti dal telescopio spaziale Spitzer. (Immagine per gentile concessione della NASA / JPL-Caltech)
Ad esempio, nel 2003, i ricercatori hanno utilizzatoL'XMM-Newton Space Observatory dell'ESA per identificare due sorgenti di raggi X forti e distinte nella vicina galassia starburst NGC 1313. Perché i buchi neri tendono a divorare violentemente il materiale che si avvicina troppo e sputa in alto. -Radiazioni energetiche, sono tra le più potenti sorgenti conosciute di radiazioni a raggi X. Identificando le sorgenti dei raggi X in NGC 1313 e studiando come si infiammano periodicamente, nel 2015, i ricercatori sono stati in grado di limitare la massa di uno dei presunti buchi neri della galassia noto come NGC 1313 X-1. Stimano che questa sia circa 5.000 volte la massa del Sole, dare o prendere, il che lo colloca con sicurezza nell'intervallo di massa di un buco nero di massa intermedia.
Allo stesso modo, nel 2009, i ricercatori hanno scopertoprove ancora più forti dell’esistenza di un buco nero di medie dimensioni. Situata a circa 290 milioni di anni luce dal bordo della galassia ESO 243-49, il team ha osservato una sorgente di raggi X incredibilmente luminosa chiamata HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), che non ha controparte ottica. Ciò suggerisce che l'oggetto osservato non è solo una stella o una galassia. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la firma dei raggi X di HLX-1 è cambiata nel tempo, suggerendo che il buco nero diventa più luminoso ogni volta che una stella vicina si avvicina ad esso, alimentando gas e provocando brevi lampi di raggi X che poi svaniscono lentamente. lontano. Basandosi sulla luminosità dei brillamenti osservati, i ricercatori hanno calcolato che la massa minima del buco nero è circa 500 volte la massa del Sole, anche se alcune stime mettono il suo peso più vicino a 20.000 masse solari.
Attualmente, rilevatori di onde gravitazionaliLIGO e Virgo hanno collaborato per scoprire 20 buchi neri di massa stellare che si fondono per formare buchi neri con masse da 20 a 80 masse solari. Sebbene LIGO-Virgo non abbia rilevato alcun BH (più di 100 masse solari), i ricercatori sono ottimisti sul loro rilevamento in futuro.
Buco nero di Planck (micro buco nero)
Un buco nero di Planck è un ipotetico buco nero con la massa più piccola possibile, che è uguale alla massa di Planck.
La densità della materia di un tale buco nero ècirca 1094 kg/m³ ed è probabilmente la densità di massa massima ottenibile. La fisica su tali scale deve essere descritta da teorie della gravità quantistica che non sono ancora state sviluppate. Un oggetto del genere è identico a un'ipotetica particella elementare con (presumibilmente) la massa massima possibile: un maximon.
I buchi neri di Planck sono caratterizzati da estremamentepiccola sezione trasversale di interazione. La piccolezza della sezione d'urto per l'interazione dei massimoni neutri con la materia porta al fatto che una parte significativa (o anche la principale) della materia nell'Universo al momento attuale potrebbe essere costituita da massoni, senza portare a una contraddizione con le osservazioni. In particolare, i massionisti potrebbero svolgere il ruolo di materia invisibile (materia oscura), la cui esistenza è attualmente riconosciuta in cosmologia.
Buchi neri supermassicci: la nascita dei giganti
Piccoli buchi neri abitano l'universo, ma il lorocugini, buchi neri supermassicci, dominano. Questi enormi buchi neri sono milioni o addirittura miliardi di volte più massicci del Sole, ma hanno circa le stesse dimensioni di diametro. Si ritiene che tali buchi neri si trovino al centro di quasi tutte le galassie, compresa la Via Lattea.
Gli scienziati non sono sicuri di quanto sia così grandebuchi neri. Una volta che questi giganti si sono formati, raccolgono una massa di polvere e gas intorno a loro, un materiale abbondante al centro delle galassie, permettendo loro di crescere fino a dimensioni ancora maggiori.
Il risultato potrebbe essere un buco nero supermassicciofusioni di centinaia o migliaia di minuscoli buchi neri. Le grandi nubi di gas potrebbero anche essere responsabili del loro collasso e del rapido aumento di massa. Oppure è il collasso di un ammasso stellare, un gruppo di stelle che cadono insieme. I buchi neri supermassicci possono formarsi da grandi accumuli di materia oscura. Questa è una sostanza che possiamo osservare attraverso il suo effetto gravitazionale su altri oggetti; tuttavia, non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura perché non emette luce e non può essere osservata direttamente.
Una nuova classe di buchi neri: “super-supermassicci” o enormi buchi neri
Quindi, come già sappiamo, il nostro universo contieneenormi buchi neri. Il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia ha una massa di 4 milioni di Soli, ma è piuttosto piccolo, come i buchi neri galattici. Molti buchi neri galattici hanno una massa di un miliardo di masse solari e la massa del buco nero più massiccio conosciuto è stimata in circa 70 miliardi di soli. Ma quanto può essere grande un buco nero?
Per rendere il buco nero davvero enormedeve assorbire una grande quantità di sostanza all'inizio della sua vita. Se consuma lentamente materia, la galassia circostante andrà a posto e l'universo si espanderà, in modo che il buco nero non possa catturare molta più materia. Ma quando un buco nero inghiotte rapidamente una grande quantità di materia, la materia diventa molto calda e tende a respingere altra materia, rendendo difficile la crescita del buco nero.
Basato sulle osservazioni dei più grandi neribuchi e simulazioni al computer della formazione di buchi neri, si ritiene che il limite superiore della massa dei buchi neri galattici sia di circa 100 miliardi di masse solari. Ma una nuova ricerca suggerisce che il limite di massa potrebbe essere molto più alto.
Nel lavoro degli scienziati si nota che, sebbeneI buchi neri galattici probabilmente hanno un limite di massa solare di centinaia di miliardi, buchi neri più grandi potrebbero essersi formati indipendentemente nelle prime fasi dell'universo. Questi buchi neri primordiali possono essere più di un milione di volte la massa dei più grandi buchi neri galattici. Il team di ricerca li chiama buchi neri incredibilmente grandi o SLAB (buchi neri incredibilmente grandi).
L'idea dei buchi neri primordiali esiste da molto tempo.Sono stati proposti come una soluzione a tutto, dalla materia oscura al motivo per cui non abbiamo ancora scoperto un ipotetico nono pianeta nel nostro sistema solare. Ma i modelli teorici suggeriscono che i buchi neri primordiali sarebbero molto più piccoli persino dei buchi neri di massa stellare formati da minuscole fluttuazioni di densità nell'universo primordiale. Ma questo nuovo studio suggerisce che la materia oscura e altri fattori potrebbero causare una crescita colossale in alcuni di essi.
Se l'universo primordiale fosse ricco di oscuritàmateria, in particolare una forma di materia oscura nota come particelle massicce debolmente interagenti (WIMP), quindi il buco nero primordiale potrebbe consumare materia oscura per crescere rapidamente. Poiché la materia oscura non interagisce fortemente con la luce, la materia oscura intrappolata non emetterà molta luce o calore per rallentare il suo tasso di crescita. Di conseguenza, questi buchi neri avrebbero potuto essere enormi anche prima che l'universo si raffreddasse e si formassero le galassie. Il limite di massa superiore per SLAB dipenderà da come la materia oscura WIMP interagisce con se stessa, quindi se rileviamo eventuali SLAB potrebbe aiutarci a capire la materia oscura.
Come può l'umanità usare i buchi neri?
La teoria della relatività lo prevedei buchi neri rotanti possono essere usati come fonti di energia. Nel 1969, Roger Penrose descrisse un processo per farlo. C'è un'ergosfera attorno ai buchi neri rotanti, la regione che precede l'orizzonte degli eventi. Tutti i corpi nell'ergosfera ruotano con il buco nero.
Processo di Penrose (chiamato anche meccanismoPenrose) teoricamente vede i buchi neri come un mezzo per estrarre energia. Tale estrazione può avvenire se l'energia rotazionale del buco nero non si trova all'interno dell'orizzonte degli eventi, ma all'esterno, nella regione dello spazio-tempo di Kerr. In questa ergosfera, qualsiasi particella si muove necessariamente in modalità locomotiva contemporaneamente alla rotazione dello spazio-tempo, cioè tutti gli oggetti lì dentro ne vengono trascinati via. In questo caso, la materia che entra nell'ergosfera viene divisa in due parti. Ad esempio, la materia può essere costituita da due parti che vengono separate sparando un esplosivo o un missile che ne allontana le metà. La quantità di moto di due pezzi di materia mentre si separano può essere organizzata in modo che un pezzo fugga dal buco nero ("scappa all'infinito") e l'altro cada oltre l'orizzonte degli eventi nel buco nero. Con un posizionamento accurato, la parte della materia che fuoriesce può avere una massa-energia maggiore di quella originale, mentre la parte che cade riceve una massa-energia negativa. Sebbene lo slancio venga mantenuto, l’effetto è che da questo processo può essere estratta più energia di quanto originariamente previsto. Inoltre, la differenza la fornisce il buco nero stesso. Il processo si traduce quindi in una leggera diminuzione del momento angolare del buco nero, che corrisponde a un trasferimento di energia alla materia. L'impulso perduto, a sua volta, viene convertito in energia estratta.
Il processo Penrose indica la possibilitàottenere energia da un buco nero, ma non è un buon metodo pratico. Per la sua implementazione, è necessario che due particelle neonate abbiano una velocità superiore alla metà della velocità della luce. La frequenza prevista di tali eventi è così rara che non consentirà di ottenere una quantità significativa di energia.
Pertanto, gli scienziati stanno attivamente cercando altri meccanismi.Ad esempio, Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri possono rilasciare energia attraverso la radiazione termica. Un altro modo per estrarre energia è il processo Blanford-Znaek, basato sull'interazione elettromagnetica.
Luca Comisso della Columbia University e Felipe A. Asenjo della Adolfo Ibanez University descrivono nel loro articolo un'altra alternativa al processo Penrose.
I buchi neri sono circondati da plasma caldo, particelleche hanno un campo magnetico. La base di un nuovo meccanismo per ottenere energia dai buchi neri rotanti è la riconnessione delle linee del campo magnetico all'interno dell'ergosfera. In questo caso, il buco nero dovrebbe trovarsi in un campo magnetico esterno, avere un grande spin (a ~ 1) e il plasma circostante con una forte magnetizzazione. Le proprietà necessarie sono possedute, ad esempio, dai buchi neri formati come risultato di lampi di raggi gamma lunghi e corti e buchi neri supermassicci nei nuclei galattici attivi.
La riconnessione magnetica accelera parte del plasmail senso di rotazione del foro. L'altra parte accelera nella direzione opposta e cade oltre l'orizzonte degli eventi. Il rilascio di energia, come nel meccanismo di Penrose, avviene se il plasma assorbito ha energia negativa, e quello accelerato “fugge” dall'ergosfera. La differenza è che la formazione di particelle con energia negativa richiede la dissipazione dell'energia del campo magnetico. Nel processo descritto da Penrose, solo l'inerzia delle particelle gioca un ruolo.
Come dicono gli scienziati, l'efficienza del processo descritto è 150per cento. Ciò significa che il processo ti consente di ottenere una volta e mezza più energia di quella che devi spendere per la sua implementazione. È possibile ottenere un'efficienza superiore al 100 percento, perché le particelle di plasma rilasciate dall'ergosfera portano via l'energia del buco nero. La scoperta di un nuovo meccanismo per estrarre energia dai buchi neri consentirà agli astronomi di stimare meglio il loro momento rotazionale e capire come irradiano energia. La scoperta è ancora lontana dall'applicazione pratica: è necessario capire come volare verso il buco nero e posizionare qualcosa nella sua ergosfera senza cadere oltre l'orizzonte degli eventi.
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