Tradotto da Paolo Sudiro.
È difficile spiegare i buchi neri ai vostri studenti? Perché non provare queste semplici attività da fare in classe?
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).
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).
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.
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.
Ciascun gruppo di lavoro avrà bisogno di:
per l’attività 2
Immagine gentilmente
concessa da Charlotte Provost
e Monica Turner
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.
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.
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.
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.
Ciascun gruppo di lavoro ha bisogno di (figura 3):
pesi differenti.
Immagine gentilmente
concessa da Charlotte Provost
e Monica Turner
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.
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.
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.
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.
Cliccate qui per trovare l’Attività 1 originale.
Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusione nell’universo: quando una stella gigante muore.... Science in School 6.
Boffin H, Pierce-Price D (2007) La fusione nell’universo: siamo tutti polvere di stelle. Science in School 4.
Rebusco P, Boffin H & Pierce-Price D (2007) Fusione nell’universo: da dove arrivano i vostri gioielli. Science in School 5.
Rosenberg M (2012) Ricreare le eclissi in classe. Science in School 23.
Jeanjacquot P, Lilensten J (2013) Proiezione della luce vento solare: simulare le aurore a scuola. Science in School 26.