Categorie: Buchi neri Relatività Stelle di neutroni
Tags: buchi neri massa materia degenere momento angolare momento quadrupolo stelle di neutroni
Scritto da: Vincenzo Zappalà
Commenti:24
La polvere sotto al tappeto ***
Una recente ricerca teorica sulle stelle di neutroni ha stimolato un confronto molto interessante tra i due oggetti più “estremi” del Cosmo: le stelle di neutroni, appunto, e i buchi neri. Penso possa essere utile proporvela, soprattutto per comprendere meglio l’essenza di questi oggetti al limite della fisica.
Le stelle di neutroni sono oggetti ancora misteriosi. Soprattutto, per quanto riguarda la composizione del nucleo degenere che rimane dopo l’esplosione di supernova. Un problema enorme che le osservazioni e i modelli teorici non hanno ancora risolto del tutto. Nella nuova ricerca, si cerca di affrontare la faccenda mettendo la polvere sotto al tappeto (non dimenticandosela, però…).
Quando parliamo di buchi neri, ci interessa ben poco risalire allo stato della materia di ciò che resta della stella. Sappiamo che il volume tende a zero, ma la massa resta la stessa. Descrivere lo stato della materia in questo stato ultra degenere è praticamente impossibile, soprattutto perché l’orizzonte degli eventi ci vieta qualsiasi informazione: occhio che non vede, cuore che non sente.
Ne risulta che i buchi neri, come oggetti osservabili, risultano tra i più semplici dell’Universo. Tutto ciò che li definisce sono solo due parametri: la massa e il momento angolare. Essi sono misurabili attraverso ciò che succede allo spazio e alla materia che li circonda. Cosa avviene all’interno del buco rimane un problema per i teorici puri, per non parlare di cosa succede alla materia che sta degenerando verso un punto… matematico. In altre parole, il buco nero può considerarsi un guscio vuoto che si può studiare solo attraverso lo spazio e il tempo.
Perché non fare lo stesso con le stelle di neutroni? Potremmo disinteressarci della struttura della materia e studiarle solo attraverso lo spazio e il tempo che le circondano, ossia momento angolare e massa. Se funziona e rende così semplici i buchi neri, potrebbe funzionare anche per loro. In parole povere, il succo è questo: i buchi neri riescono a essere descritti perfettamente da due singoli parametri, senza curarsi della materia che li compone. Si può fare lo stesso per le stelle di neutroni?
La nuova ricerca sembra rispondere:”Sì”. Con una sola differenza: a massa e momento angolare bisogna aggiungere il momento di quadrupolo. No, non spaventatevi… Questo nome così difficile vuole solo dire che vi è un coefficiente che descrive come varia la forma dell’oggetto a seguito della rotazione. Un parametro che è osservabile attraverso ciò che capita attorno alla massa dalle caratteristiche misteriose. Non possiamo dimenticarci, infatti, che, nelle stelle di neutroni, la massa ha ancora una sua forma e un suo volume, anche ben “visibili” (nessun orizzonte degli eventi).
Tuttavia, i tre parametri sembrano più che sufficienti a descrivere completamente la stella e risalire ai parametri più “sottili” che caratterizzano il corpo celeste vero e proprio. Insomma, per sapere come definire una stella di neutroni e i suoi effetti sullo spazio-tempo circostante, possono bastare i tre parametri (uno solo in più dei buchi neri), senza curarsi della conoscenza della materia che forma la stella.
Come avete visto, abbiamo messo la polvere sotto al tappeto, ma non ci siamo dimenticati di lei. Studiando la stanza, si può risalire al tipo di polvere.
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24 commenti
Caro Enzo,
:
Un paio di domande stravaganti
1) Se si chiama stella di neutroni, immagino che sia perché è costituita esclusivamente da neutroni: sono neutroni "normali" (cioè di quelli che compongono i nuclei atomici "normali", come quelli del nostro corpo), solo molto compattati, o sono neutroni in un qualche stato degenere, collassato, indefinito? Il fatto è che sto cercando di immaginarmi l'oggetto che, data l'enorme gravità, mi raffiguro come una palla perfettamente sferica e liscia, una bigliona ideale per un tavolo da biliardo...
2) Una stella di neutroni emette luce? In quale spettro?
Dunque per studiare i buchi neri mancherebbe un solo coefficiente, quale potrebbe essere? Sarà possibile trovare qualche elemento? Oppure per un punto...
caro Pier,
il problema è proprio quello. In linea di massima sono neutroni normali, ma come la materia si comporta in certe condizioni di ultra pressione è un problema aperto. Sì emette luce, dato che è calda e che non c'è un orizzonte degli eventi. Si riescono a vedere anche nell'ottico.
caro Mario,
in realtà per i buchi neri bastano due parametri, dato che non esiste una forma da deformare... Sai, una cosa è definire le caratteristiche globali dell'oggetto (e il buco nero non ha grandi segreti), un'altra è capire cosa succede al suo interno... Le stelle di neutroni ci regalano un terzo parametro proprio perché mantengono una forma in cui è contenuta la massa.
enzo,come dici,la stella di neutroni a differenza dei buchi neri, ha delle precise dimensioni e riusciamo anche a vederla nell'ottico, quindi a differenza dei buchi neri emette radiazione,ma non brucia più ,no? è tutto dovuto all'enorme gravità che presenta giusto? anche se non presenta orizzonte degli eventi essa come dire "mangia" come i buchi neri? l'appetito dovrebbe essere più o meno simile no? e la deformazione dello spaziotempo attorno a lei non dovrebbe essere tanto diverso o no?
Beh... una differenza c'è dato che la materia può sfuggire... Mangia quindi molto meno, anche se il suo campo gravitazionale è molto forte. Comunque, sicuramente esiste un passaggio graduale da stella di neutroni a buco nero. L'importante è che in un caso la materia non trova più nessun blocco per la degenerazione verso un punto, mentre nell'altro mantiene dimensioni nettamente superiori al limite dato dall'orizzonte degli eventi, grazie allo stato... "neutronico". Ne consegue che la gravità vicino alla superficie non è comparabile rispetto a quella presente sull'orizzonte degli eventi.
grazie,chiarissimo come sempre....quindi a livello "dimensionale" noi vediamo solo una parte della materia tutta diciamo...all' interno,progressivamente, vi è già il buco nero?quel passaggio graduale
implicherebbe una zona/dimensione/stato dove coesistono teoricamente entrambi gli stati?
se dico baggianate fermami eh
no, davide...
Affinché esista un buco nero è necessario che TUTTA la massa sia contenuta all'interno dell'orizzonte degli eventi e non solo una parte di essa. Pensa alla Terra: il suo orizzonte degli eventi avrebbe un diametro di poco meno di un centimetro. Tuttavia, questo non vuole dire che se potessimo scendere al suo interno fino a un centimetro dal centro ci troveremmo in un buco nero! Lo sarebbe solo se tutta la massa della Terra fosse all'interno di quel centimetro. La stessa cosa vale per una stella di neutroni: essa ha un suo ipotetico orizzonte degli eventi, il cui raggio dipende solo e soltanto dalla massa. Ma, affinché la stella si trasformi in un buco nero, TUTTA la massa dovrebbe stare dentro quel raggio... Se noi entrassimo dentro una stella di neutroni fino al raggio corrispondente al suo orizzonte degli eventi non troveremmo un buco nero, dato che all'interno di quel volume NON ci sarebbe tutta la massa, ma solo una parte...
Ne segue che una stella di neutroni NON è un buco nero, dato che la su massa non riesce a concentrarsi oltre a un certo valore e non riesce a stare all'interno del suo orizzonte degli eventi. Se ci riuscisse diventerebbe TUTTA un buco nero.
Pensa al Sole e immaginiamo di schiacciarlo sempre di più. Lui continua a essere stella normale fino che la pressione è tale da concentrare una massa come la sua all'interno di un pianeta come la Terra. E' diventata una nana bianca e la materia per arrivare a quel punto ha dovuto cambiare stato. Tuttavia ha ancora certe dimensioni, una certa massa e quindi genera un certo campo gravitazionale. Sarà molto forte, più di quello del Sole originario, ma ancora "superabile" da materia che esce o cose del genere. Continuiamo a schiacciarlo sempre di più fino a farlo arrivare a dimensioni molto più piccole. A un certo momento gli atomi non ce la fanno più a sostenere il peso e protoni ed elettroni si uniscono diventando neutroni. La stella collassa verso dimensioni ancora più piccole (si è creato un mucchio di vuoto negli atomi distrutti) fino a essere sostenuta dai neutroni. Diventa stella di neutroni, con la stessa massa di prima, ma con dimensioni dell'ordine dei chilometri. Il campo gravitazionale è ancora più forte (in realtà il campo è sempre lo stesso, ma sei tu che sei riuscito ad arrivare più vicino al centro, dato che il volume si è ridotto). Tuttavia, riesce ancora a mantenere una forma e delle dimensioni. E' ancora una stella visibile. Se schiacciamo ancora di più, ecco che arriva il momento critico: a un certo punto la massa riesce a stare tutta dentro a quel cerchio ipotetico (dipendente dalla sola massa) che è l'orizzonte degli eventi. La stella di neutroni è fisicamente diventata un buco nero. Niente può sfuggire dalla sua superficie... Ovviamente, tra stella di neutroni e buco nero c'è un avvicinamento graduale, ma possiamo immaginarlo quasi improvviso, dato che il collasso non avviene lentamente, ma dopo che si è raggiunta una certa pressione o densità (come preferisci) e i neutroni vengono distrutti e lo spazio a disposizione diventa tutto quello che vuoi e la massa può cercare di concentrarsi (teoricamente) in un punto matematico... Un vero e proprio collasso improvviso. Prima era stella, degenere quanto vuoi, e poi improvvisamente si distrugge e si riduce a dimensioni puntiformi (ma sempre con la stessa massa). Ci siamo?
@Enzo, dici che la materia può sfuggire... la velocità di fuga è di decine di migliaia di chilometri al secondo, per favore correggimi se sbaglio: se la stella è single, di materia ne esce poca, solo se fa da spazzino con nubi interstellari o se possiede una compagnia allora può diventare una pulsar e una certa quantità di materia può sfuggire per effetto sincrotrone.
Credo che una stella di neutroni non attiva, malgrado l'altissima temperatura superficiale sia praticamente impossibile da vedere a causa delle sue piccolissime dimensioni
caro Beppe,
ovviamente la luce visibile emessa è molto poca ed è difficile vederle otticamente. Tuttavia, teoricamente sì e Hubble ne ha vista qualcuna. Io, comunque, intendevo solo quello, ossia che non vi è un blocco totale come nei buchi neri...
ma, sperando di non dir castronerie la perdita di massa avviene proprio a causa dell'emissione di radiazione...
perfetto Alex!
si,chiaro,,,,grazie,hai una pazienza enorme....cioè era chiaro anche prima, è che essendo oggetti "simili" mi ha un pò tratto in inganno la cosa del "passaggio graduale da stella di neutroni a buco nero",invece è una soglia,un limite netto e ben definito dove o è bianco o è nero,senza tonalità di grigio,grazie ancora comunque
figurati Davide... è un piacere!
In realtà il passaggio da bianco a nero avviene in tempi brevi e sembra che la stella collassante dia anche un segnale... avevo scritto qualcosa a riguardo.... e vedo di trovarla, ma con il search di astronomia.com non è facile (almeno per me...).
Trovato subito Davide! E avevi anche partecipato alla discussione... eccolo:
http://www.astronomia.com/2013/05/14/i-buchi-neri-ci-avvisano/
Bello Enzo, avevo sempre avuto di dubbi a proposito delle differenze tra questi due corpi... Adesso è tutto molto chiaro, grazie...
grazie Giorgina!!!
Caro Enzo, potresti spendere qualche parola in più sul momento di quadrupolo? Non mi é chiaro come correla con la forma geometrica. Immaginavo una stella di neutroni perfettamente sferica.
Grazie
caro Concetto,
è dura introdurlo senza un'estensione matematica superiore. In parole povere, pensiamo a un campo gravitazionale normale. Se l'oggetto ruota velocemente bisogna tener conto di termini di ordine superiore nella descrizione del vero campo gravitazionale. Termini che possono normalmente essere trascurati, ma non per situazioni estremamente particolari o per oggetti di grande massa che ruotano moto velocemente e che possono cambiare conseguentemente la propria forma e quindi anche il campo gravitazionale di ordine superiore. Le forme di equilibrio dipendono dal momento angolare dell'oggetto e possono variare dalla sfera fino all'ellissoide a tre assi. E', in altre parole, anche una deformazione dello spazio tempo che circonda una grande massa rotante.
Quello della Terra è estremamente piccolo, ma non trascurabile per l'immissione dei satelliti in orbita e viene normalmente tenuto in conto.
E' un qualcosa legato strettamente anche alle onde gravitazionali. Deformazione periodica di un campo vuole anche dire deformazione dello spazio-tempo con contrazioni e distensioni. Proprio come un'onda...
Spero che ti basti... se no dillo e vediamo di andare più nel sottile...
Normalmente si discute molto di più del quadrupolo elettrico, ma il succo è perfettamente analogo.
Ok. Grazie sempre per la disponibilità e la pazienza. Credo di aver colto il senso del discorso.
OK Concetto,
per semplificare ancora: una massa regolare e dalla forma costante genera un campo gravitazionale regolare e costante. Se la massa ruota e si deforma deve fare lo stesso anche il suo campo gravitazionale...
Enzo, approfitto di questa discussione (anche se in ritardo) per un chiarimento. So che, in condizioni normali, un neutrone decade in circa 8 minuti, quindi, immagino che nella stella i neutroni si debbano trovare in una condizione particolare per rimanere stabili.
Ho detto una stupidaggine ?
caro Givi,
le condizioni all'interno di una stella di neutroni sono proprio "speciali" e quindi non si seguono le regole normali della materia. hai detto una sacra verità!
Ciao Enzo,
riguardo a stelle di neutroni e buchi neri, per le prime esista ancora una certa distanza atomica tra le particelle che la compongono (credo).Per i secondi invece no (teoricamente si tratta di un punto matematico). E' da un po che ci rifletto: se consideriamo che le singole particelle non perdono volume e le schiacciamo tra di loro esattamente tutte a contatto una della dell'altra otterremo certamente un volume ridottissimo (ma non puntiforme)ed in questo caso una densità enorme. Un buco nero, in linea teorica, potrebbe essere un insieme di particelle con una distanza tra loro inferiore alla lunghezza di planck e cioè uguale a zero? in tal caso l'orizzonte degli eventi avrebbe una distanza finita dal buco nero e le grandezze al suo interno sarebbero misurabili (distanza orizzonte degli eventi-supefice del buco nero).
Dammi qualche delucidazione in più perchè a forza di pensarci mi viene mal di testa
caro Umberto,
dici bene... il buco nero teorico non ha più dimensioni così come poteva essere il Big Bang. L'orizzonte degli eventi ha, invece, un raggio ben definibile e che dipende solo dalla massa del buco nero: 2GM/c2. Non ha importanza quanto si sia ristretto in realtà. Ogni oggetto ha un suo orizzonte degli eventi (anche la Terra). Diventa buco nero solo quando la sua massa è contenuta dentro a questo raggio. Che si deriva proprio ponendo che la velocità di fuga sia quella della velocità della luce (avevo scritto più di un articolo a riguardo su astronomia.com, nella sezione approfondimenti delle risorse). Cosa poi capiti all'interno di questo spazio finito è un gran problema non del tutto risolto. Devi pensare che per noi, da fuori, esso "sembra" uno spazio finito e misurabile, ma per chi sta dentro la fisica cambia completamente e spazio e tempo assumono significati anche opposti... E' simile al problema della forza centrifuga (come concetto generale): chi sta fuori dal sistema rotante descrive le cose in un certo modo, chi sta girando sente la forza centrifuga... Più in grande, capita la stessa cosa dentro a un buco nero, dove qualsiasi particella deve viaggiare alla velocità della luce con le conseguenze "assurde" che ricadono su spazio e tempo... Se recuperi, facilmente. gli articoli sui buchi neri che trovi messi assieme in quella parte del sito troverai molte risposte.... L'indirizzo esatto è:
http://www.astronomia.com/risorse/approfondimenti/tutto-sui-buchi-neri/
Buona lettura!