Scrutare nel buio: come ricostruire i buchi neri nella scuola secondaria
Monica Turner
Tradotto da Paolo Sudiro.
È difficile spiegare i buchi neri ai vostri studenti? Perché non provare queste semplici attività da fare in classe?
Figura 1: Un’immagine
artistica di un buco nero.
Il buco nero è solo un punto
esattamente al centro, ma la
sua gravità è così intensa che
la luce delle stele circostanti
non riesce a sfuggire.
Immagine gentilmente
concessa da Agenzia Spaziale
Europea, NASA e Felix Mirabel
(Commissione Francese per
l’Energia Atomica e Istituto per
l’Astronomia e la Fisica
Spaziale / Conicet Argentino)
Molti giovani hanno sentito parlare di buchi neri e capiscono che, se qualcosa ci cade dentro, non potrà uscirne mai più – neanche la luce può sfuggire. Da qui il buco nero prende il suo nome: è un punto nello spazio che non emette alcuna luce (figura 1). Questo non è un concetto semplice da spiegare. In questo articolo, quindi, introduco brevemente i buchi neri e poi descrivo due semplici attività per aiutare gli studenti a visualizzare che cosa succede. Ciascuna attività dovrebbe richiedere circa un’ora; entrambe sono adeguate per studenti di 10-14 anni di età (sebbene il recensore suggerisca di utilizzare queste attività per studenti di 10-19 anni di età).
I buchi neri
Figure 2: Un buco nero: la
stella collassata o singolarità;
l’orizzonte degli eventi, una
regione intorno alla
singolarità dalla quale
neanche la luce può sfuggire;
la regione all’esterno
dell’orizzonte degli eventi,
dove gli oggetti avvertono la
gravità del buco nero senza
esserne intrappolati.
Cliccare sull’immagine per
ingrandirla.
Immagine gentilmente
concessa da Monica Turner
I buchi neri si formano quando muore una stella di grande massa (almeno diverse volte la massa del Sole).
Una stella è formata da un nucleo caldo circondato da diversi strati di gasw1. Elementi leggeri, come idrogeno ed elio, si uniscono attraverso la fusione nucleare nel nucleo della stella per formare elementi più pesanti come i metalli. Il calore prodotto in questo processo esercita una pressione verso l’esterno che contrasta la forza di gravità che attira il gas verso il centro della stella, dando alla stella le sue grandi dimensioni. Tuttavia, quando la stella esaurisce il combustibile nel suo nucleo, non è più in grado di sostenere i pesanti strati esterni di gas. Se la stella morente è molto massiccia, la gravità attira il gas e fa diventare la stella sempre più piccola finché la sua densità raggiunge valori infiniti in un singolo punto, dettosingolarità (figura 2).
Un’immagine della galassia
NGC 3621, fatta usando il
Very Large Telescope dello
European Southern
Observatory (ESO). Si ritiene
che al centro di questa
galassia si trovi un buco
nero supermassiccio che sta
inghiottendo materia ed
emettendo radiazioni.
Immagine gentilmente
concessa da ESO
Vicino alla singolarità, la gravità è talmente forte che nulla può sfuggire. Infatti la velocità di fuga sarebbe superiore alla velocità della luce – così neanche la luce può sfuggire e per questo motivo il buco nero è nero. (In effetti non si tratta di un buco: lì c’è una grande quantità di materia, anche se non la possiamo vedere)
Ad una certa distanza dalla singolarità, la gravità è debole abbastanza da permettere alla luce di sfuggire, perciò gli oggetti oltre questa distanza sono visibili. Questo limite è chiamato orizzonte degli eventi. Gli oggetti al difuori dell’orizzonte degli eventi avvertono ancora la gravità del buco nero, e verranno attratti verso di esso, ma possono ancora essere visti e potrebbero ancora evitare di caderci dentro. Tuttavia, una volta che gli oggetti sono risucchiati all’interno dell’orizzonte degli eventi, non c’è più ritorno.
Dopo che un buco nero si è formato, può crescere assorbendo altra massa dallo spazio circostante, ad esempio altre stelle o altri buchi neriw2. Se un buco nero assorbe abbastanza materiale, può deiventare un buco nero supermassiccio, ovvero con una massa superiore a un milione di masse solari. Si ritiene che ci siano dei buchi neri supermassicci al centro di molte galassie, compresa la Via Lattea.
Normalmente gli astronomi osservano gli oggetti nello spazio guardando la loro luce; così, ad esempio, vengono studiate le stelle (ad esempio, vedi Mignone & Barnes, 2011). Comunque, poiché i buchi neri non emettono luce, non possono essere osservati nel modo consueto. Invece, gli astronomi devono osservare le interazioni dei buchi neri con altri oggetti. Un modo per farlo è guardare ai movimenti delle stelle intorno al buco nero, poiché le loro orbite verranno alterate dalla sua presenza w3.
Attività 1: ricostruire la formazione di un buco nero
Questa attività mostrerà agli studenti come si forma un buco nero attraverso il collasso di una stella massiccia, una volta che il nucleo della stella non è più capace di sostenere il peso degli strati esterni di gas che lo circondano. Il tempo richiesto dovrebbe essere di circa un’ora.
Materiale
Ciascun gruppo di lavoro avrà bisogno di:
Un palloncino
Alcuni fogli di pellicola di alluminio, ciascuno di circa 30 centimentri quadrati
Un ago per forare il palloncino.
Metodo
Fate gonfiare e sigillare il palloncino agli studenti. Dovrebbero poi avvolgere il pallone in diversi strati di pellicola di alluminio per costruire il modello della stella.
Spiegate che gli strati di alluminio rappresentano gli strati si gas della stella e il palloncino che li mantiene in forma è analogo al calore che brucia nel nucleo della stella. Il calore generato nel nucleo dalle reazioni termonucleari di fusione esercita una pressione sugli strati di gas della stella, impedendo loro di collassare.
Gli studenti simulano l’effetto della gravità tentando di schiacciare leggermente il palloncino. La pressione del nucleo è tale che la stella non può collassare per gravità.
Quando una stella raggiunge la fine della sua vita, esaurisce in combustibile nel nucleo e non è più in grado di sostenere gli strati di gas. Fate forare agli studenti il palloncino per simulare questo processo.
Ancora una volta, gli studenti dovranno comprimere il palloncino con le mani per simulare l’effetto della gravità. Questa volta saranno in grado di comprimere la pellicola di alluminio in una piccola palla. Notate che la massa della palla è la stessa di quella della stella iniziale, ma le dimensioni sono molto diverse.
Discussione
Figura 3: I materiali necessari
per l’attività 2
Immagine gentilmente
concessa da Charlotte Provost
e Monica Turner
Se una stella reale avesse le dimensioni del palloncino, allora quanto sarebbe grande il buco nero in realtà? La pellicola accartocciata è troppo grande o troppo piccola per rappresentare un buco nero?
Risposta: La pellicola accartocciata è troppo grande per rappresentare un buco nero. Anche un buco nero reale, formato da una stella massiccia, è più piccolo della punta di una matita.
Che cosa succederebbe se usaste più pellicole di alluminio per fare gli strati di gas della stella? La stella sarebbe più massiccia? Che cosa succederebbe al buco nero?
Costruire la stella con più strati di gas (rappresentati dall’alluminio) renderebbe la stella più massiccia. Ne risulterebbe quindi la formazione di un buco nero più massiccio, poiché ci sarebbe più materiale con cui formarlo.
A questo punto potrebbe essere introdotto il concetto di densità (massa per unità di volume). Chi ha la densità maggiore, la stella o il buco nero?
Sebbene abbiano dimensioni differenti, la stella e il buco nero hanno la stessa massa, poiché sono fatti esattamente dalla stessa quantità di materiale. Tuttavia, poiché il buco nero è più piccolo, il materiale che lo forma è contenuto in un volume minore, perciò ha una densità più elevata.
Attività 2: riprodurre l’azione di un buco nero
Punto 4. Mettendo la palla
pesante nel centro si provoca
la curvatura della struttura
dello spazio-tempo.
Immagine gentilmente
concessa da Charlotte Provost
e Monica Turner
In questa attività gli studenti costruiscono un modello di buco nero per aiutarli a visualizzare come un buco nero può “piegare” lo spazio-tempo e influenzare gli oggetti circostanti. L’attività dovrebbe richiedere circa un’ora.
Materiali
Ciascun gruppo di lavoro ha bisogno di (figura 3):
Una leggera fascia elastica usata per incidenti muscolari (ad esempio Tubifix, venduto in farmacia)
Una piccola biglia
Una palla pesante (come quelle usate nei giochi di bocce)
Delle forbici.
Metodo
Tagliate un pezzo di fascia elastica di circa 40 cm di lunghezza. Se è tubolare, dovrete tagliarlo da un lato.
Punto 5: fate rotolare una
biglia sulla fascia elastica e
osservate come la sua
traiettoria viene alterata.
Immagine gentilmente
concessa da Charlotte Provost
e Monica Turner
Fate tirare orizzontalmente la fascia da diversi studenti, finché è tesa, per rappresentare lo spazio in due dimensioni.
Mettete la biglia sulla fascia e fatela rotolare sulla sua superficie. La sua traiettoria dovrebbe essere una linea retta, simile a quella tracciata da un raggio di luce che viaggia nello spazio.
Mettete la palla pesante sulla fascia elastica e vedrete come deforma la struttura dello spazio. Lo spazio diventa curvo intorno alla massa pesante.
Fate rotolare la biglia vicino alla massa; la sua traiettoria dovrebbe venire alterata dalla deformazione della fascia elastica. Questo è simile a quanto accade alla luce quando passa vicino ad un oggetto massiccio che deforma lo spazio circostante. Tentate di cambiare la velocità della biglia per vedere come cambia la sua traiettoria.
Più è concentrata la massa centrale (cioè, più pesante è la palla), più verrà curvata la fascia elastica. Questo aumenta la profondità del “pozzo gravitazionale”, dal quale la biglia non sarebbe più in grado di sfuggire.
Quando la biglia passa vicino alla palla grande, inizia a ruotare attorno al “buco nero” e alla fine ci cade dentro. Una volta che è lì, potrete vedere come gli oggetti possono facilmente cadere dentro un buco nero ma uscirne difficilmente. Questo è ciò che accade nei buchi neri: la loro gravità deforma lo spazio in modo tale che la luce o altri oggetti ci cadono dentro ma non riescono a sfuggire.
Discussione
Punto 6: Usando biglie di
pesi differenti.
Immagine gentilmente
concessa da Charlotte Provost
e Monica Turner
Che succede quando diminuite la velocità della biglia? E perché?
Quando la sua velocità è abbastanza alta, la biglia ha sufficente energia per sfuggire alla gravità del buco nero. Tuttavia, se la velocità della biglia è troppo bassa, la forza di gravità del buco nero è troppo forte e la biglia non riuscirà a sfuggire.
Che succede quando usate una palla più grande e pesante? Che succede se la biglia è più pesante (figura 6)?
Poiché oggetti più massicci generano una forza gravitazionale maaggiore, in entrambi i casi dovrete lanciare la biglia più forte per farla sfuggire alla gravità del buco nero.
Come potreste stabilire se da qualche parte c’è un buco nero, osservando il movimento delle stelle?
Se un buco nero diventa abbastanza massiccio, le stelle che gli passano vicino verranno intrappolate nel suo campo gravitazionale e inizieranno a orbitare intorno al buco nero, come i pianeti del nostro Sistema Solare ruotano intorno al Sole. Osservando i movimenti di molte stelle, gli astronomi possono cercare delle stelle che orbitano intorno allo stesso centro. Se in quel punto non riescono ad osservare nessun oggetto, hanno una indicazione che lì potrebbe esserci un buco nero.
Ringraziamenti
L’Attività 1 è stata adattata dal manuale dimostrativo ‘Journey to a Black Hole’ del sito web Inside Einstein’s Universew4. Quella attività è stata a sua volta adattata dall’attività ‘Aluminum Foil, Balloons, and Black Holes’ sul sito web Imagine the Universe della NASAw1.
L’Attività 2 è stata adattata da una fonte nel database UNAWE di Ricardo Moreno da Exploring the Universe, UNAWEw5 Spagna.
w4 – Ospitato dall’Università di Harvard, il sito web Inside Einstein’s Universe offre vario materiale didattico di astronomia, compreso un manuale dimostrativo scaricabile e altro materiale sui buchi neri.
Il sito web Hubblesite del Space Telescope Science Institute offre una grande quantità di informazioni sui buchi neri, come anche attività ed esperimenti interattivi online.
Il sito web Ask an Astronomer della Cornell University offre risposte semplici, a diversi livelli (base, intermedio, avanzato), a molte domande sui buchi neri.
Monica Turner ha ricevuto il suo BSc in fisica dall’Università McGill di Montreal, in Canada, e ha poi completato il master in astronomia all’Università di Victoria, in Canada. Attualmente sta lavorabdo al suo PhD in astronomia all’Osservatorio di Leida in Olanda. Monica ha esperienza come assistente alla didattica per le classi di astronomia, come anche di lavoro con bambini nei campi di scienze, ed è attualmente coinvolta nell’EU Universe Awareness (UNAWE) w4.
