Scrutare nel buio: come ricostruire i buchi neri nella scuola secondaria

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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

• 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

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

1. Tagliate un pezzo di fascia elastica di circa 40 cm di lunghezza. Se è tubolare, dovrete tagliarlo da un lato.

2. 
   
   

   
   Fate tirare orizzontalmente la fascia da diversi studenti, finché è tesa, per rappresentare lo spazio in due dimensioni.
3. 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.
4. Mettete la palla pesante sulla fascia elastica e vedrete come deforma la struttura dello spazio. Lo spazio diventa curvo intorno alla massa pesante.
5. 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.
6. 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.
7. 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

• 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.