Astronomia

C'è un limite alla dimensione di un buco nero?

C'è un limite alla dimensione di un buco nero?


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La massa di una stella è limitata a circa un paio di centinaia di masse solari. La velocità di fusione scala fortemente con la densità (motivo per cui le stelle più massicce hanno una vita estremamente breve), quindi se una stella fosse abbastanza massiccia (oltre il limite di Eddington), la pressione di radiazione la farebbe saltare in aria.

Ora anche un buco nero ha radiazioni, ma per definizione non è in grado di fuggire a causa della gravità. Ma c'è in qualche modo un limite alla dimensione. Immagina che tutta la materia dell'universo abbia formato un buco nero. Dovrebbe essere possibile o c'è una legge che vieta di crearlo?


La Relatività Generale non limita le dimensioni di un buco nero e abbiamo buone osservazioni (indirette) di buchi neri con una massa di oltre un miliardo di soli.

I buchi neri non sono oggetti tenuti insieme dalla gravità e che potrebbero essere fatti a pezzi se le forze che si oppongono a tale gravità fossero aumentate. Sono (in GR) singolarità: un collasso completo della materia fino a un certo punto. Non c'è nessun "oggetto" all'interno di un buco nero che potrebbe emettere radiazioni.

Ora, se tutta la materia nell'universo fosse un buco nero, allora quella singolarità sarebbe in tutti i nostri futuri. Non "vedremmo" la singolarità perché è nel futuro, mai nel passato. In effetti un universo in cui c'è un buco nero potrebbe assomigliare piuttosto a quello in cui stiamo vivendo.


Non c'è limite teorico. Se avessi abbastanza energia per muovere stelle o galassie, potresti in teoria continuare ad alimentare un buco nero finché non diventa enormemente grande, più grande persino della Via Lattea, per esempio. Ma ci sono limiti pratici oltre i quali è improbabile che i buchi neri crescano.

Le due ragioni di ciò sono che 1) i buchi neri non sono efficienti nell'assorbimento della materia. Possono sputare fino al 90% dell'energia dalla materia che cade al loro interno, e 2) una volta raggiunta una certa dimensione, i buchi neri sono troppo grandi per formare dischi di accrescimento, quindi la materia tende a orbitare intorno a loro piuttosto che a imbuto in loro.

Sorgente e Sorgente.

Per quanto riguarda la tua seconda domanda

Immagina che tutta la materia dell'universo abbia formato un buco nero. Dovrebbe essere possibile o c'è una legge che vieta di crearlo?

Ci ho pensato io stesso e non ho idea della risposta. C'è una dimensione oltre la quale l'Energia Oscura supererebbe la gravitazione? L'energia oscura che opera all'interno del buco nero potrebbe superare la gravitazione oltre una certa dimensione, ma questa è solo la mia speculazione da principiante e penso che il buco nero dovrebbe avere un diametro di miliardi di anni luce perché ciò accada.

Non conosco la risposta a quella. Sarei curioso se qualcuno lo fa però.


Secondo un articolo del NewScientist, esiste un limite di dimensione naturale:

Quando i buchi neri nel cuore delle galassie si gonfiano fino a 50 miliardi di volte la massa del nostro sole, possono perdere i dischi di gas che usano come feedlot cosmici.

La maggior parte delle galassie ospita al centro un buco nero supermassiccio. Intorno a questa c'è una regione dello spazio in cui il gas si deposita in un disco orbitante. Il gas può perdere energia e cadere verso l'interno, alimentando il buco nero. Ma questi dischi sono noti per essere instabili e inclini a sbriciolarsi in stelle.

Ma c'erano suggerimenti osservativi che un tale limite dovrebbe esistere. Nel 2008, un gruppo indipendente guidato da Priya Natarajan dell'Università di Yale e Ezequiel Treister dell'Università di Concepcion in Cile ha considerato quanti buchi neri si sono nutriti nell'universo primordiale e il gas libero disponibile per loro da ingoiare negli ultimi tempi.

Considerato quanto buchi neri hanno mangiato dall'alba dell'universo, hanno sostenuto, i più avidi potrebbero essere cresciuti fino a raggiungere una dimensione di circa 50 miliardi di masse solari.

Quindi questo equivale davvero a un argomento semantico. Il limite superiore non sarebbe un limite fisico - se potessi in qualche modo unire due di questi colossi da 50 miliardi di massa, si fonderebbero per formare uno dei 100 miliardi di masse solari - ma uno di quelle che chiamerò "opportunità di mangiare". Alla fine un buco nero mangerà tutto il gas entro una distanza accessibile e non sarà più in grado di crescere.


Quanto può diventare grande il buco nero? C'è un limite?

Se per "grande" intendi estensione spaziale, non c'è davvero modo di rispondere a questa domanda.

Il buco nero stesso è una singolarità, nel senso che non ha alcun volume. Pertanto, la dimensione dei buchi neri è misurata principalmente dal raggio del suo orizzonte degli eventi (o raggio di Schwarzschildchild).

La dimensione del raggio di Schwarzschild è proporzionale alla massa del buco nero. Poiché la massa di un buco nero non ha un limite superiore, la "dimensione" di un buco nero potrebbe, in teoria, essere arbitrariamente grande.

Cominciamo con la risposta banale: l'orizzonte degli eventi di un buco nero non può essere più grande dell'universo, quindi c'è un limite superiore proprio lì. Quindi, poiché la materia nell'universo sembra essere ammassata nelle galassie, e poiché l'universo si sta espandendo, e poiché le distanze tra le galassie sono così grandi che in futuro anche le galassie vicine si allontaneranno l'una dall'altra più velocemente della luce, ciò sembra poniamo il limite superiore della massa dei buchi neri a circa l'equivalente della massa di una o più galassie, quindi c'è un altro limite superiore che non sembra essere infrangibile con la nostra attuale comprensione dell'universo.

Per quanto riguarda un limite teorico, poiché la velocità di dissipazione dei buchi neri è inversamente proporzionale al raggio del loro orizzonte degli eventi, non dovrebbe esserci alcun limite teorico, a parte qualche fisica sconosciuta che deve ancora essere scoperta.

Il buco nero stesso è una singolarità, nel senso che non ha alcun volume.

Vorrei dire una cosa, non è leggermente impreciso? Non è solo una singolarità per un osservatore esterno, ma all'interno della distorsione della varietà di Riemann dovresti essere in grado di concepire una metrica significativa? Quindi non ha un volume definibile dall'esterno (spazio normale), ma all'interno del " limite non attraversabile della distorsione della varietà R" potrebbe ancora avere una metrica di volume significativa?

In realtà sono curioso, perché mentre posso vederlo come a volume 0, allo stesso tempo lo vedo come una semplificazione.

Questa sembra una buona informazione, visto che sono praticamente i primi due paragrafi della wiki sui buchi neri, ma da laico sono ancora interessato alla domanda operativa su quanto possono diventare grandi? Ci sono limitazioni o anomalie? O forse qual è il più grande buco nero che è stato osservato? Cosa rende un buco nero super massiccio? E su questo argomento ha senso sollevare la sfera dei fotoni?

Il buco nero stesso è una singolarità

La definizione comune di "buco nero" è qualcosa sulla falsariga di "quella regione dello spaziotempo da cui nulla può sfuggire". A parte questo cavillo di vocabolario, la tua risposta finale è corretta.

C'è una ragione matematica per cui un buco nero è una singolarità o c'è ancora la possibilità che un buco nero abbia volume, ma non è misurabile a causa della natura non osservabile dell'orizzonte degli eventi?

Sì, questa è fondamentalmente la risposta. La relatività generale non pone limiti alle dimensioni di un buco nero.

Potrebbe esserci qualche limite pratico basato sulla distribuzione della materia nell'universo, cioè data l'espansione dell'universo, forse non ci sarà alcuna concentrazione di materia più grande, diciamo, di un ammasso di galassie che mai volere avvicinati abbastanza da formare un buco nero. Ma non è proprio un limite fondamentale.

È possibile che un buco nero si "inghiottisca" da solo?

Una singolarità? Come la "singolarità" che c'era prima del big bang?

Il limite superiore di un buco nero è l'orizzonte cosmico. Un buco nero non può diventare più grande dell'orizzonte cosmico perché "succhia" in direzioni diverse.

L'orizzonte cosmico è il risultato dell'energia oscura, e questo non dovrebbe sorprendere. Un altro modo per esprimere la mia risposta è che l'energia oscura limita le dimensioni dei buchi neri. Questo ha senso perché l'energia oscura lavora (un po') per allontanarti da un buco nero se ci cadi dentro. Questa forza dell'energia oscura (più precisamente, l'accelerazione), riduce il diametro dell'orizzonte degli eventi del buco nero.

In pratica, abbiamo avuto un big bang e la materia era distribuita in modo più o meno uniforme su larga scala nell'universo primordiale. La relatività generale diventa funky su questa scala, poiché siamo in uno spazio Anti-de-Sitter (credo). Se la materia fosse distribuita perfettamente uniformemente, non esisterebbero buchi neri. Naturalmente, piccole fluttuazioni nella distribuzione della materia hanno portato l'universo ad evolvere la struttura, e i buchi neri sono una conseguenza di questa struttura. Nel tempo queste disomogeneità crescono e se non ci fosse energia oscura i buchi neri si consoliderebbero fino a dominare l'intero universo. Ricorda, densità di un buco nero diminuisce con taglia. Quindi, quando due buchi neri si fondono, il buco nero risultante occupa più volume. Ne consegue quindi che con più fusioni, occuperanno sempre più spazio, lasciando meno spazio a noi.

Per aggiungere qualche dettaglio in più, i buchi neri possono fondersi e si fondono con l'orizzonte cosmico. Dico che "succhiano" in direzioni diverse, ma lo fanno anche due buchi neri ordinari. È necessario applicare alcuni trucchi di orientamento per fondere l'idea dell'orizzonte cosmico con altri buchi neri. Immagina di essere sdraiato e guardare il cielo. Se riesci a vedere le cime degli alberi a 180 gradi intorno a te, ti rendi conto che l'"orizzonte" è in realtà un cerchio. Questo perché la tua stessa visione è una geometria sferica non euclidea. I buchi neri deformano lo spazio, in modo simile all'energia oscura. Quando il più grande buco nero vicino a te cresce fino a raggiungere una dimensione paragonabile all'orizzonte cosmico, accade qualcosa di ancora più strano: entrambi iniziano a comportarsi allo stesso modo. L'universo stesso non diventa altro che una sottile striscia tra due orizzonti.

Nel destino del nostro universo, il consolidamento e la crescita dei buchi neri competeranno con la riduzione delle dimensioni del nostro orizzonte cosmico. Puoi leggere un resoconto di questo da un vero esperto nella risposta accettata qui:

Anche se qualcuno capisce abbastanza bene la relatività generale (come vorrei considerarmi), potrebbe non capire la concezione globale della relatività generale in quanto è rilevante per l'universo primordiale o per l'eventuale morte dell'universo. Ciò comporta alcuni livelli aggiuntivi di complessità ed è estremamente teorico oltre che filosofico.

Ma per favore, leggi l'argomento. Il destino dell'universo è anche il destino dei tuoi atomi.


Il limite a quanto grandi buchi neri possono crescere è sorprendente

I buchi neri supermassicci al centro delle galassie sono gli oggetti più massicci dell'universo, quello al centro della nostra Via Lattea è pesante quanto 4 milioni di soli e gli astronomi hanno individuato esempi che pesano miliardi di soli. Ma quanto possono crescere? Un astrofisico dice che c'è un limite: 50 miliardi di soli da far venire l'acquolina in bocca. Un buco nero cresce nutrendosi di un disco di accrescimento di gas e polvere che orbita attorno ad esso (nella foto). L'attrito nel disco fa scivolare il materiale verso l'interno finché non soccombe alla gravità del buco nero e viene inghiottito. Questo processo riscalda il gas a temperature enormi in modo che emetta un bagliore caldo e buchi neri molto avidi rendono il gas così luminoso che può essere visto in tutto l'universo come un quasar. Ma i buchi neri estremamente massicci possono causare instabilità nei loro dischi di accrescimento che fanno collassare il gas e la polvere nella formazione di stelle, che sono più brave a eludere la gravità del buco nero. Come i ricercatori riferiscono online questo mese nel in Lettere di avviso mensili della Royal Astronomical Society, un buco nero grande come 50 miliardi di soli probabilmente farà sì che il suo intero disco di accrescimento si raggrumi in stelle e quindi non abbia più nulla di cui nutrirsi, arrestandone la crescita. C'è qualche speranza per questi colossi cosmici: possono ancora crescere inghiottendo altri buchi neri supermassicci.

Daniele Clery

Daniele è Scienzacorrispondente senior nel Regno Unito, che si occupa di astronomia, fisica ed energia, nonché di politica europea.


Gli astronomi scoprono il limite di massa superiore per i buchi neri

Secondo una nuova ricerca condotta da un astrofisico dell'Università di Yale, sembra esserci un limite superiore a quanto possono diventare grandi i buchi neri più massicci dell'universo.

Un tempo considerati oggetti rari ed esotici, ora si sa che i buchi neri esistono in tutto l'universo, con i più grandi e massicci trovati al centro delle galassie più grandi. È stato dimostrato che questi buchi neri "ultra-massicci" hanno masse superiori a un miliardo di volte quella del nostro Sole. Ora, Priyamvada Natarajan, professore associato di astronomia e fisica alla Yale University e membro del Radcliffe Institute for Advanced Study, ha dimostrato che anche il più grande di questi mostri gravitazionali non può continuare a crescere per sempre. Invece, sembrano frenare la propria crescita, una volta accumulati circa 10 miliardi di volte la massa del Sole.

Questi buchi neri ultra-massicci, che si trovano al centro di gigantesche galassie ellittiche in enormi ammassi di galassie, sono i più grandi dell'universo conosciuto. Anche il grande buco nero al centro della nostra galassia, la Via Lattea, è migliaia di volte meno massiccio di questi colossi. Ma questi giganteschi buchi neri, che accumulano massa risucchiando materia da gas, polvere e stelle vicini, sembrano incapaci di crescere oltre questo limite, indipendentemente da dove - e quando - appaiono nell'universo. "Non succede solo oggi", ha detto Natarajan. "Si spengono in ogni epoca dell'universo."

Lo studio, che apparirà negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (MNRAS), rappresenta la prima volta che viene derivato un limite di massa superiore per i buchi neri. Natarajan ha utilizzato i dati ottici e a raggi X esistenti di questi buchi neri ultra-massicci per dimostrare che, affinché queste varie osservazioni siano coerenti, i buchi neri devono essenzialmente spegnersi ad un certo punto della loro evoluzione.

Una possibile spiegazione avanzata da Natarajan è che i buchi neri alla fine raggiungono il punto in cui irradiano così tanta energia mentre consumano l'ambiente circostante che finiscono per interferire con la stessa fornitura di gas che li alimenta, il che potrebbe interrompere la formazione stellare nelle vicinanze. Le nuove scoperte hanno implicazioni per lo studio futuro della formazione delle galassie, dal momento che molte delle più grandi galassie dell'universo sembrano co-evolvere insieme ai buchi neri al loro centro.

"Sono aumentate le prove del ruolo chiave che i buchi neri svolgono nel processo di formazione delle galassie", ha affermato Natarajan. "Ma ora sembra che siano probabilmente le prime donne di questa space opera".


Impostare limiti alla gola del buco nero

Di: Allen Zeyher 15 gennaio 2016 3

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I buchi neri possono avere un limite a quanto possono mangiare agli occhi del pubblico.

Rappresentazione artistica di un buco nero supermassiccio. Il buco nero stesso è scuro, ma queste bestie possono essere viste da tutto l'universo osservabile dalla luce emessa dai dischi di accrescimento che le alimentano.
NASA/JPL-Caltech

Anche il buco nero più goloso arriva a un punto in cui si allontana dalla fila del buffet pubblico, preferendo invece intrufolarsi di nascosto con le sue prelibatezze..

Il limite di gola di un buco nero è di circa 50 miliardi di volte la massa del Sole, secondo i calcoli di Andrew King (Università di Leicester, Regno Unito, e Università di Amsterdam, Paesi Bassi). Con un ragionamento apparentemente semplice pubblicato l'11 febbraio Lettere di avviso mensili della Royal Astronomical SocietyKing mostra che una volta che un buco nero raggiunge questa massa, il disco di gas che fungeva da buffet per la cena del buco nero inizia a sgretolarsi, collassando sotto il suo stesso peso in stelle.

Il disco gassoso che alimenta i buchi neri in crescita è ciò che ci consente di vedere questi oggetti oscuri, anche da un universo distante meno di 1 miliardo di anni. Togli il gas e togli la luce visibile e ultravioletta che segnala l'ingorgo di un buco nero.

"Se il buco nero è molto massiccio, il disco di gas dovrebbe essere corrispondentemente grande e massiccio", spiega Zoltan Haiman (Columbia University). "L'idea principale nell'articolo di King è che al di sopra di una certa massa, il gas in un tale disco sarebbe gravitazionalmente instabile, cioè collasserebbe in grumi sotto il suo stesso peso, prima che il gas possa incanalarsi verso l'interno nel buco nero".

In altre parole, anche l'immensa attrazione gravitazionale di un buco nero di 50 miliardi di massa solare non può superare l'autogravità che ammassa la materia circostante.

"Trovo questa idea molto avvincente", afferma Haiman.

Ma questo non vuol dire che il buco nero smetta del tutto di crescere. Deve solo divorare massa in segreto, senza emettere luce. Potrebbe capitare che una stella cada dritta dentro di essa, inghiottita intera, oppure potrebbe fondersi con un altro buco nero.

Gli astronomi hanno trovato buchi neri con masse di circa 10 miliardi di Soli, vicino al limite teorico di King, ma li hanno trovati cercando il raggio di luce del disco di accrescimento. "Il limite di massa significa che questa procedura non dovrebbe rivelare masse molto più grandi di quelle che conosciamo, perché non ci sarebbe un disco luminoso", ha detto King in un comunicato stampa.

Eppure è possibile che colossi ancora più grandi possano sedersi in silenzio nei vicini centri galattici. Per trovarli, gli astronomi dovranno ricorrere a mezzi di rilevamento più indiretti, come le lenti gravitazionali.


C'è un limite alla dimensione di un buco nero? - Astronomia

Qual è il tipo di materia che costituisce un buco nero? O è affatto importante? Se il materiale super denso viene continuamente compresso, dove finisce alla fine? Sicuramente ci deve essere un limite o è spremuto nell'energia?

La materia che cade in un buco nero non è diversa dalla materia che costituisce il resto dell'universo. Tuttavia, la fisica come la comprendiamo attualmente si rompe al centro di un buco nero.

Pensiamo di capire cosa succede nell'estrema gravità (che è la relatività generale), e pensiamo di capire cosa succede su scala microscopica (che si chiama Meccanica Quantistica/Fisica), ma se le due sono combinate le teorie si rompono e non abbiamo idea di cosa sia in corso.

Solo una teoria della gravità compatibile con la meccanica quantistica (spesso chiamata gravità quantistica) potrebbe descrivere la fisica "dentro" un buco nero. Attualmente, non esiste una tale teoria anche se diversi fisici in tutto il mondo ci stanno lavorando. Fino a quando loro (o altri) non daranno una risposta, non sapremo cosa esiste al centro di un buco nero.

Questa pagina è stata aggiornata l'ultima volta il 27 giugno 2015.

Circa l'autore

Jagadheep D. Pandian

Jagadheep ha costruito un nuovo ricevitore per il radiotelescopio di Arecibo che funziona tra i 6 e gli 8 GHz. Studia i maser a metanolo a 6,7 ​​GHz nella nostra Galassia. Questi maser si verificano nei siti in cui stanno nascendo stelle massicce. Ha conseguito il dottorato di ricerca presso la Cornell nel gennaio 2007 ed è stato borsista post-dottorato presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germania. Successivamente, ha lavorato presso l'Institute for Astronomy presso l'Università delle Hawaii come Submillimeter Postdoctoral Fellow. Jagadheep è attualmente all'Indian Institute of Space Scence and Technology.


Imaging buchi neri

I buchi neri esercitano un'attrazione quasi mitica sia per i profani che per gli scienziati. Un buco nero è un oggetto così massiccio e compatto che la gravità impedisce anche alla luce di fuoriuscire. L'effetto gravitazionale di un buco nero sugli oggetti vicini fornisce prove indirette convincenti della loro esistenza, ma la prova definitiva deve ancora arrivare: un'immagine diretta del "punto nero".

A pagina 160 di questo numero, Cash et al. 1 presenta la prima dimostrazione di laboratorio di un interferometro a raggi X che sarà utile agli astronomi. Il loro approccio renderà molto più facile ottenere la risoluzione angolare da 0,1 a 1,0 microarcosecondi richiesta per ottenere un'immagine a raggi X di buchi neri al centro di galassie vicine. Gli astronomi dividono il cielo in gradi angolari, così che 90° è la distanza dall'orizzonte a un punto direttamente sopra la testa (ci sono 60 minuti d'arco in un grado e 60 secondi d'arco in un minuto). Oltre a soddisfare la nostra curiosità su come appare la regione che circonda un buco nero, questo progresso ci permetterà di osservare direttamente gli effetti previsti dalla teoria della relatività generale di Einstein sotto i campi di gravità più estremi conosciuti. Fornirà anche uno strumento formidabile che aprirà nuove prospettive su un'ampia gamma di fenomeni astronomici.

La banda a raggi X è il principale terreno di caccia per trovare e studiare i buchi neri, come dimostrato dal primo "candidato buco nero" in buona fede, Cygnus X-1, una sorgente di raggi X scoperta negli anni '60. I raggi X luminosi sono il risultato di grandi quantità di energia gravitazionale rilasciata mentre il buco nero attrae materiale da una stella vicina o all'interno della sua galassia ospite. Questo materiale forma un disco vorticoso e orbitante che cade verso il buco nero, proprio come il flusso dell'acqua in uno scarico (Fig. 1). Vicino all'"orizzonte degli eventi", il confine teorico di un buco nero all'interno del quale nulla può sfuggire, l'attrito surriscalda il materiale a molti milioni di kelvin, che è per lo più irradiato come raggi X. La forte gravità del buco nero provoca distorsioni dello spazio-tempo che vengono impresse sui raggi X emergenti. Osservazioni di buchi neri supermassicci al centro di galassie vicine hanno già rivelato questa firma nelle caratteristiche spettrali dei raggi X 2 .

In alto, un'immagine del telescopio Hubble del nucleo della galassia M87, dove è probabile che risieda un buco nero con una massa tre miliardi di volte quella del Sole. In basso, una simulazione di come potrebbe apparire il buco nero 3 se guardassi in basso su un disco di materiale che vortica intorno al buco. La dimensione angolare che l'orizzonte degli eventi del buco nero sottende nel cielo è compresa tra 3 e 6 microarcosecondi, a seconda che il buco nero ruoti al massimo o meno.

Aumentare la risoluzione angolare dei telescopi è uno degli obiettivi principali dell'astronomia, ma non è mai facile. Anche il telescopio dalla forma più perfetta è in ultima analisi limitato dalla dimensione della sua apertura, nota anche come limite di diffrazione. Questo è dettato dalla lunghezza d'onda della luce in entrata divisa per il diametro del telescopio. Più grande è il telescopio, migliore è la risoluzione angolare che può raggiungere. Il telescopio spaziale Hubble ha un diametro di 2,4 metri con una risoluzione angolare di 0,1 secondi d'arco, che è vicino al limite di diffrazione. Raggiungere la risoluzione al microarcosecondo richiederebbe un aumento di 100.000 volte del diametro del telescopio Hubble a 240 chilometri.

Fortunatamente, c'è un modo per ottenere tale risoluzione senza costruire telescopi incredibilmente grandi. Un interferometro combina la luce di diversi piccoli telescopi per creare un'immagine con una risoluzione come se provenisse da un telescopio molto più grande. Le onde luminose di ciascun telescopio interferiscono tra loro per creare frange di interferenza (bande di bassa e alta intensità), che possono essere trasformate di nuovo in immagini reali all'interno di un computer. Per gli interferometri alla maggior parte delle lunghezze d'onda, la distanza tra i telescopi sostituisce il diametro del telescopio nel determinare il limite di diffrazione. I radioastronomi hanno utilizzato per la prima volta questa tecnica per ottenere enormi guadagni in termini di risoluzione angolare con separazioni dei telescopi che abbracciano i continenti e persino nello spazio.

I telescopi a raggi X in generale sono difficili da costruire perché i raggi X riflettono solo ad un angolo molto ridotto rispetto alla superficie ottica (1 grado o meno), indicato come incidenza radente. Per ottenere una vera messa a fuoco, devono essere riflesse due volte da superfici iperboliche e paraboliche costruite con precisione. Queste superfici sono, in effetti, cilindri annidati che sono costosi da sagomare con la precisione richiesta. A complicare ulteriormente le cose, i telescopi a raggi X devono essere posizionati nello spazio, perché i raggi X non penetrano nell'atmosfera terrestre. Il Chandra X-ray Observatory, lanciato di recente, è lo stato dell'arte nell'imaging a raggi X, la cui costruzione da sola è costata diverse centinaia di milioni di dollari USA. Chandra raggiunge un'impressionante |risoluzione di circa 0,5 secondi d'arco, ma è ancora lontana dal limite di diffrazione. Costruire un telescopio a raggi X con diffrazione limitata, per non parlare di un interferometro a raggi X in grado di visualizzare il calderone che circonda un buco nero, è sempre sembrato un sogno lontano.

Contanti et al. Prendo quello che a prima vista sembra essere uno svantaggio - che i raggi X riflettono solo ad angoli poco profondi - e lo trasformo in un vantaggio. Invece di utilizzare ottiche costose e precisamente calcolate per focalizzare i raggi X, usano invece due serie di specchi piatti più facili da realizzare per dirigere insieme i raggi X in arrivo per creare frange di interferenza. Un'immagine bidimensionale viene creata combinando molti insiemi di queste frange prese con diversi angoli di rotazione. Poiché i raggi X vengono riflessi ad angoli poco profondi, le variazioni consentite nel posizionamento degli specchi piani sono circa 100 volte maggiori rispetto ad uno specchio tradizionale (di normale incidenza) operante alla stessa lunghezza d'onda. Se si posizionasse un rilevatore di raggi X a 500 chilometri dietro gli specchi, le frange sarebbero amplificate dalla distanza, e quindi potrebbero essere misurate con i rilevatori che esistono oggi.

Ci sono ancora alcuni ostacoli tecnologici, tuttavia. Anche a lunghezze d'onda dei raggi X molto corte, è necessaria una distanza del telescopio di 100-1.000 metri per ottenere la risoluzione angolare richiesta. Ciò richiederebbe una flotta di un massimo di 33 veicoli spaziali che trasportano specchi ottici, che volano in formazione con una precisione spaziale di 20 nanometri, oltre a un veicolo spaziale rivelatore a 500 chilometri dietro lo specchio. Questo è scoraggiante per gli standard odierni, ma probabilmente non più delle missioni in esame da parte delle agenzie spaziali statunitensi ed europee (NASA ed ESA), come l'interferometro spaziale a infrarossi Darwin, che potrebbe cercare pianeti delle dimensioni della Terra al di fuori del nostro Sistema Solare. Una missione "esploratrice" per costruire un interferometro a raggi X con una distanza di un metro tra i telescopi, in modo che le ottiche a raggi X siano tutte su un'unica navicella spaziale, è un primo passo ragionevole. Questo è già in fase di studio alla NASA, utilizzando la tecnica di Cash e colleghi come progetto di partenza (Fig. 2). Il Pathfinder sarebbe un precursore di una molto più grande Microarcsecond X-ray Imaging Mission (MAXIM) necessaria per l'immagine di un buco nero. Ma anche come primo passo, il Pathfinder fornirebbe un impressionante miglioramento di 1.000 volte rispetto all'Osservatorio a raggi X Chandra, consentendo agli astronomi di studiare le corone di altre stelle.

Ecco come lo strumento sviluppato da Cash et al. 1 in laboratorio sarebbe stato ingrandito per creare un pratico telescopio spaziale. Una missione è già allo studio alla NASA per un lancio intorno al 2015 e fornirà una risoluzione angolare 1.000 volte maggiore rispetto al Chandra X-ray Observatory lanciato di recente.


20+ fatti splendidi sui buchi neri

Fatto 1: La forza di gravità è così alta nei buchi neri che provoca la dilatazione del tempo gravitazionale. Questo è un fenomeno in cui il tempo rallenta a causa dell'attrazione gravitazionale. Un fatto interessante è che la dilatazione del tempo può verificarsi anche quando aumenta la velocità, di solito sperimentata dagli astronauti. Questo è indicato come "dilatazione del tempo di velocità".

Fatto 2: I buchi neri possiedono un orizzonte degli eventi! Un orizzonte degli eventi si riferisce alla regione attorno a un buco nero oltre la quale un oggetto verrebbe risucchiato sotto l'influenza dell'elevata forza di attrazione gravitazionale residente nei buchi neri. Gli oggetti al confine di questo orizzonte sono perfettamente al sicuro, ma il superamento del confine cede il corpo all'elevata forza dell'attrazione gravitazionale.

Fatto 3: I buchi neri hanno una densità molto elevata. Potresti immaginarlo come un tentativo di inserire la Terra in una piccola sfera di circa 9 millimetri di diametro. La massa è compattata in uno spazio incredibilmente piccolo. Quindi, la densità, essendo la massa per unità di volume di spazio, è molto alta.

Fatto 4: I buchi neri continuano a crescere perché qualsiasi cosa (liquido, gas o materia solida) che attraversa l'orizzonte degli eventi viene risucchiata. Pertanto, i buchi neri hanno il potenziale per diventare infinitamente grandi e sono noti come buchi neri supermassicci quando hanno assorbito una quantità irrilevante di materia rispetto ad altri buchi neri.

Fatto 5: Stephen Hawking ha teorizzato che i buchi neri perdono la loro massa sotto forma di radiazioni e dopo un certo periodo di costante perdita di massa sotto forma di radiazioni, alla fine evaporano.

Fatto 6: I buchi neri si riducono a una dimensione inferiore a quella di un elettrone (una particella subatomica). In questa fase raggiunge una dimensione nota come Lunghezza di Planck (1,62 x 10 -35 m). Questa lunghezza è il limite di dimensione quantistica. In teoria, nessun oggetto può essere più piccolo di questo e non esiste uno strumento che possa misurare.

Fatto 7: L'orizzonte degli eventi è solo il confine del buco nero, non il nucleo del buco nero. Il nucleo del buco nero è indicato come "singolarità". Il punto di Singolarità è il punto di distruzione finale, nulla sfugge intatto. Niente può sopravvivere a quel punto!

Fatto 8: Man mano che ci si avvicina a un buco nero, le cose vengono semplicemente distorte. L'immensa attrazione gravitazionale dei buchi neri ha la capacità di distorcere lo spazio stesso. Questa distorsione è profonda perché i buchi neri ruotano rapidamente, non è altro che una regressione infinita di distorsioni.

Fatto 9: Le stelle girano e continuano a farlo anche dopo la loro morte. Ciò indica che continuano a girare anche dopo essere diventati buchi neri. Il buco nero risultante continua a girare sempre più velocemente mentre continuano ad evaporare e alla fine si riducono alla lunghezza di Planck. Anche quando raggiungono la lunghezza di Planck, continuano a girare. Lo spin e la forza gravitazionale incredibilmente alta, quindi, distorcono tutto ciò che li circonda (oggetti all'interno dell'orizzonte degli eventi).

Fatto 10: Gli scienziati spaziali hanno postulato che tutto ciò che può viaggiare più veloce della velocità della luce (3 x 10 8 ms -1) può sfuggire al buco nero! Tuttavia, la velocità della luce deve ancora essere superata da qualsiasi oggetto.

Fatto 11: Esiste una relazione direttamente proporzionale tra la dimensione e la massa di un buco nero. Tuttavia, provare a misurare le dimensioni di un buco nero potrebbe essere un esercizio di futilità. Pertanto, un metodo alternativo per ottenere la misurazione è noto come "raggio di Schwarzschild".

Fatto 12: Il buco nero più vicino alla Terra a circa 16 quadrilioni di chilometri di distanza. Ciò equivale a circa 1.600 anni luce (un anno luce è equivalente alla distanza percorsa dalla luce in un anno solare medio).

Fatto 13: C'è un buco nero supermassiccio al centro della nostra Via Lattea (cioè la galassia a cui appartiene il nostro sistema solare). Il buco nero è indicato come "Sagittario A*". Il punto di una singolarità della stella Sagittario A ha una massa equivalente alla massa di 4 milioni del sistema solare. Il buco nero si trova a una distanza di sicurezza di circa 30.000 anni luce da noi sulla Terra.

Fatto 14: Il buco nero al centro della nostra Via Lattea (Sagittarius A*) secondo gli scienziati spaziali, ha preso vita dopo che una stella è esplosa circa 2 milioni di anni fa! Quell'evento è noto come "Seyfert Flare".

Fatto 15: Le radiazioni del Seyfert Flare circa 2 milioni di anni fa erano circa 100 milioni di volte più potenti delle radiazioni rimanenti che sperimentiamo oggi. Gli scienziati ritengono che l'esplosione debba essere stata così grande da essere effettivamente visibile dalla Terra!

Fatto 16: È stato scoperto che contrariamente all'opinione popolare, il buco nero non solo succhia ma ha la capacità di emettere materiali. La velocità di emissione è circa la stessa della velocità della luce (circa 3 x 10 8 m/s)

Fatto 17: Un tipico esempio di buco nero che emette è stato avvistato dagli scienziati a una distanza di circa 1,5 miliardi di anni luce dalla Terra. Tuttavia, non si trova all'interno della nostra galassia. La scoperta è stata fatta utilizzando una serie di radiotelescopi avanzati. I telescopi sono così potenti al punto che i materiali emessi dal buco nero sono stati spazzati via dalla galassia.

Fatto 18: Un recente studio di scienziati spaziali ha rivelato che anche il buco nero supermassiccio che vive nel cuore della nostra galassia, Sagittarius A*, emette materiale. Questi materiali emessi sono particelle energetiche proiettate nello spazio lungo l'asse di rotazione del buco nero creando l'impressione di un raggio dritto attraverso il centro del buco nero.

Fatto 19: I buchi neri sembrano molto più delle sfere che degli imbuti (come comunemente illustrato nella maggior parte dei libri di testo).

Fatto 20: Ogni volta che un oggetto o un corpo attraversa l'orizzonte degli eventi di un buco nero, non viene schiacciato ma allungato sotto l'intensa forza di gravità presente nel buco nero. È interessante notare che questo processo di allungamento è indicato come "spaghettificazione".

Fatto 21: I buchi neri non sono esattamente gli stessi. Esistono tre classi principali in cui i buchi neri possono essere classificati in base alla quantità di energia esercitata dai buchi neri quando distorcono lo spazio, ovvero buchi neri elettrici, buchi neri rotanti semplici e buchi neri elettrici rotanti.

Fatto 22: I suoni statici possono essere rilevati intorno all'orizzonte degli eventi dei buchi neri. Il suono potrebbe essere attribuito all'immensa attrazione gravitazionale che rompe le particelle nei dintorni dei buchi neri che viaggiano alla velocità della luce!

Fatto 23: Si ritiene che gli elementi che sostengono la vita come il ferro e il carbonio siano prodotti da oggetti rotti in particelle subatomiche nell'orizzonte degli eventi di un buco nero.

Fatto 24: Contrariamente alla credenza popolare che Albert Einstein fu lo sviluppatore della teoria dei buchi neri, Pierre-Simon Laplace (1796) e John Mitchell (1783) furono i primi a proporre il concetto di "stelle oscure".

Hanno descritto i buchi neri come oggetti che, se compressi in un piccolo raggio, avrebbero mostrato una velocità di fuga che supera la velocità della luce. Tuttavia, John Wheeler, nel XX secolo, coniò il termine "buco nero" e lo descrisse come un oggetto che assorbe tutta la luce che lo raggiunge senza rifletterne alcuna parte.

  • Buchi neri. Estratto da: https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes
  • Buchi neri: fatti, teoria e definizione. Di Nola Taylor Redd (2017, 20 ottobre). Estratto da: https://www.space.com/15421-black-holes-facts-formation-discovery-sdcmp.html

A proposito di Sonia Madaan

Sonia Madaan è una scrittrice e fondatrice editrice del blog di educazione scientifica EarthEclipse. La sua passione per l'educazione scientifica l'ha spinta ad avviare EarthEclipse con l'unico obiettivo di trovare e condividere fatti scientifici divertenti e interessanti. Ama scrivere su argomenti legati allo spazio, all'ambiente, alla chimica, alla biologia, alla geologia e alla geografia. Quando non scrive, adora guardare film di fantascienza su Netflix.


Gli astronomi trovano un antico buco nero delle dimensioni di 12 miliardi di soli

Washington: Gli astronomi hanno individuato un oggetto dalla luminosità quasi impossibile a circa 12,8 miliardi di anni luce di distanza, l'oggetto più luminoso mai visto in uno spazio così antico.

È di appena 900 milioni di anni dopo il big bang, e il vecchio quasar - un oggetto brillante prodotto da un enorme buco nero - è 420 trilioni di volte più luminoso del nostro sole.

Rappresentazione artistica di un buco nero. Credito: NASA

Quella luminosità e dimensione sono sorprendenti in un buco nero così vicino all'alba dei tempi.

In un nuovo studio pubblicato su Natura mercoledì, i ricercatori descrivono una luce cosmica che sfida le convenzioni. Era persino rilevabile con un telescopio relativamente piccolo, anche se i ricercatori in Cina hanno dovuto chiedere aiuto agli astronomi in Cile e negli Stati Uniti per ottenere uno sguardo a più alta risoluzione.

Le sfide della scoperta attualmente sostenevano teorie secondo cui i buchi neri e le loro galassie ospiti sono cresciuti in relativa sintonia nel corso degli eoni.

Trovati all'interno dei lontani corpi celesti chiamati quasar, i buchi neri sono regioni dello spazio così dense di materia che nemmeno la luce può viaggiare abbastanza velocemente da sfuggire alle loro fosse gravitazionali. I buchi neri vengono rilevati dagli effetti che hanno sulle galassie, sulle stelle e sulla polvere vicine.

Il buco nero appena scoperto contiene l'equivalente di circa 12 miliardi di soli, più del doppio della massa dei buchi neri di età simile trovati in precedenza, ha affermato il ricercatore Bram Venemans del Max Planck Institute for Astronomy in Germania.

In confronto, il buco nero in agguato al centro della galassia della Via Lattea è da circa 4 a 5 milioni di volte la massa del sole.

"Come potevamo avere questo enorme buco nero quando l'universo era così giovane? Al momento non abbiamo una teoria soddisfacente per spiegarlo", ha affermato l'autore principale Xue-Bing Wu, dell'Università di Pechino e del Kavli Institute of Astronomy and Astrophysics.

Perché il buco nero possa raggiungere dimensioni così sbalorditive in meno di un miliardo di anni, deve aver assorbito massa interstellare dai suoi dintorni alla velocità massima per tutto il tempo, suggeriscono gli astronomi.

Anche così, la radiazione del quasar formato dal buco nero avrebbe dovuto iniziare a limitare quell'accumulo di massa prima che tale dimensione fosse raggiunta.

Quindi ci sono enigmi da risolvere. Ma per ora, ha detto il professor Wu, la sua squadra sta usando il brillante quasar come un faro per trovare altri oggetti spaziali.

"Proprio come un faro seduto in un universo oscuro e distante, ci dà la possibilità di vedere le cose tra il nostro pianeta e il buco nero illuminandole", ha detto.

"Offre un'occasione unica per capire le cose tra la galassia lontana e la nostra."

Il professor Wu e il suo team hanno in programma molte osservazioni di follow-up per il prossimo anno, inclusi progetti che utilizzano telescopi spaziali come Hubble per osservare ancora meglio le cose dentro e vicino a questa impressionante galassia di quasar.


2 risposte 2

L'accrescimento della materia su un oggetto compatto non può avvenire ad un ritmo illimitato. C'è un feedback negativo causato dalla pressione delle radiazioni.

Se una sorgente ha una luminosità $L$, allora c'è una luminosità massima - la luminosità di Eddington - che è dove la pressione di radiazione bilancia le forze gravitazionali verso l'interno.

La dimensione della luminosità di Eddington dipende dall'opacità del materiale. Per idrogeno ionizzato puro e diffusione Thomson $ L_ = 1.3 volte 10^ <31>frac> W$

Supponiamo che il materiale cada su un buco nero dall'infinito e fosse sfericamente simmetrico. Se l'energia potenziale gravitazionale fosse convertita interamente in radiazione appena prima di cadere sotto l'orizzonte degli eventi, la "luminosità di accrescimento" sarebbe $L_ = frac>frac

,$ dove $M_$ è la massa del buco nero, $R$ è il raggio da cui viene emessa la radiazione (deve essere maggiore del raggio di Schwarzschild) e $dM/dt$ è il tasso di accrescimento.

Se diciamo che $L_ leq L_$ poi $ frac

leq 1.3 imes10^ <31>frac<>>> frac<>> simeq 10^<11> R kg/s sim 10^ <-3>frac> M_/anno$

Ora, non tutto il GPE viene irradiato, parte di esso potrebbe cadere nel buco nero. Inoltre, mentre la radiazione non deve provenire da vicino all'orizzonte degli eventi, il raggio utilizzato nell'equazione di cui sopra non può essere troppo più grande dell'orizzonte degli eventi. Tuttavia, il fatto è che il materiale non può semplicemente accumularsi direttamente in un buco nero senza irradiarsi perché ha un momento angolare, si formerà un disco di accrescimento e volere irradiano molta energia - ecco perché vediamo quasar e AGN -, quindi entrambi questi effetti devono essere piccoli fattori numerici e c'è un tasso di accrescimento massimo.

Per ottenere dei risultati numerici possiamo assorbire la nostra incertezza circa l'efficienza del processo e il raggio a cui la luminosità viene emessa in un parametro di ignoranza generale chiamato $eta$, tale che $L_ = eta c^2 frac

$ cioè quale frazione dell'energia di massa a riposo viene trasformata in radiazione. Quindi, eguagliando questo alla luminosità di Eddington, abbiamo $frac
= (1-eta) frac<1.3 imes10^<31>> frac>$ che dà $ M = M_ <0>exp[t/ au],$ dove $ au = 4 imes10^ <8>eta/(1-eta)$ anni (spesso chiamato il Salpetro ( 1964) tempi di crescita). Il problema è che $eta$ deve essere abbastanza grande per spiegare la luminosità dei quasar, ma questo implica anche che non possono crescere molto rapidamente. Non sono pienamente consapevole degli argomenti che circondano il lavoro che citi, ma a seconda di ciò che assumi per il "seme" del buco nero supermassiccio, potresti avere solo pochi o forse 10 tempi di e-folding per farti arrivare a $ 10^<10>$ masse solari. Immagino che sia qui che sta il problema. $eta$ deve essere molto basso per raggiungere tassi di crescita da buchi neri stellari massicci a buchi neri supermassicci, ma questo può essere ottenuto solo in buchi neri a rotazione lenta, che non si pensa esistano!

Un bel riassunto del problema è dato nell'introduzione di Volonteri, Silk & Dubus (2014). Questi autori esaminano anche alcune delle soluzioni che potrebbero consentire l'accrescimento di Super-Eddington e tempi di crescita più brevi: ci sono una serie di buone idee, ma nessuna è ancora emersa come precursore.



Commenti:

  1. Ryland

    Mi congratulo, il tuo pensiero è semplicemente eccellente

  2. Shephard

    Secondo me, ti sbagli. Discutiamone. Inviami un'e -mail a PM, parleremo.

  3. Tilian

    Forse, sarò d'accordo con la tua opinione



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