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Un generatore elettrico da laboratorio e i buchi neri che si pensa alimentino i quasar, oggettiastronomici brillanti e lontani, presentano forse analogie. Questo semplice generatore e-strae energia da una sfera metallica in rotazione fra i poli di un magnete. Il moto del metalloconduttore attraverso le linee del campo magnetico genera una differenza di potenziale trai poli e l'equatore della sfera. Il contatto elettrico sull'asse e all'equatore dato da spazzo-le, mentre il circuito, che alimenta una lampada a incandescenza, chiuso da fili. Gli au-tori, basandosi sul lavoro di Roger I). Blandford e Roman Znajek dell'Universit di Cam-bridge, sostengono che un buco nero in un quasar si possa considerare, analogamente, comeuna membrana rotante di materiale conduttore che interagisce con un campo magnetico.

SPAZIO

MEMBRANA

ORIZZONTEDEGLI EVENTI

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V V

bile sorgente di energia dei quasar, og-getti puntiformi, luminosi quanto di-stanti, che risplendono con l'intensit diun'intera galassia. Per comprendere sen-za difficolt questo ruolo abbiamo ela-borato insieme ad alcuni colleghi unnuovo paradigma per i buchi neri, cioun nuovo modo per immaginare, consi-derare e descrivere questi oggetti. Il pa-radigma li tratta, fin dove possibile,come oggetti astrofisici normali, costi-tuiti da materia reale. Nella nostra de-scrizione un buco nero una superficiesferica o ellissoidale schiacciata, costitui-ta da una sottile membrana conduttrice.

Come entit teoriche i buchi neri van-tano una lunga storia. Due secoli fa ilfisico inglese John Michell e il matema-tico francese Pierre-Simon de Laplaceproposero indipendentemente l'esisten-za di corpi oscuri, oggetti astronomi-ci dotati di un'attrazione gravitazionaletanto forte che la luce non potesse sfug-girne. La previsione, basata sulla teoriacorpuscolare della luce di Newton e sullasua descrizione della gravit in terminidi azione a distanza, non ebbe per lun-ga vita. All'inizio del XIX secolo, infatti,la sperimentazione rivel che la luce inrealt costituita da onde e non dai cor-puscoli newtoniani, aprendo cos la stra-da alla teoria ondulatoria della luce diJames Clerk Maxwell. Laplace stesso,vedendo franare le fondamenta della suaipotesi, la ritir.

Nel 1917, tuttavia, con l'introduzionedella relativit generale, la descrizionenewtoniana della gravit fu soppiantatada quella di Einstein. I fisici si reseroallora conto del fatto che le onde lumi-nose di Maxwell, pur non risentendodella forza di gravit descritta in terminiclassici, potevano subire l'azione di quel-la relativistica. Le prime indicazioni os-servative di questo fenomeno si ebberonel 1919 durante un'eclissi, quando gliastronomi riscontrarono che la luce pro-

veniente da stelle lontane che appaionovicine al margine solare viene deviata,sia pure in misura leggerissima, dal Sole.Dalle equazioni della relativit generaleera immediato dedurre che, immaginan-do di comprimere il Sole a dimensionisempre pi ridotte senza diminuirne lamassa, la luce stellare che ne avesse sfio-rato la superficie sarebbe stata deflessain misura progressivamente crescente:alla fine, per un valore del diametro del-l'astro pari a circa sei chilometri, tale lu-ce sarebbe stata imprigionata insieme al-le emissioni luminose provenienti dalSole stesso. Il Sole diverrebbe alloraun corpo oscuro simile, almeno superfi-cialmente, ai corpi oscuri di Michell eLaplace.

La struttura fisica dei corpi oscuri pre-visti dalla relativit generale per pro-fondamente diversa da quella dei loropredecessori del XVIII secolo e straor-dinariamente pi ricca. Questi oggettinon sono costituiti da materia, pur pos-sedendo una massa e potendo derivaredalla normale materia stellare tramite unprocesso di collasso gravitazionale. Unavolta formatisi, essi sono costituiti dispazio-tempo curvo, avvolto su se stessotanto strettamente da trattenere al pro-prio interno la luce, in una struttura cheprima di Einstein non era possibile nep-pure immaginare. Nel 1968 John Archi-bald Wheeler della Princeton Universityconi per questi oggetti il nome di bu-chi neri.

Se ai fisici teorici erano occorsi pi di40 anni per accettare i buchi neri comeuna previsione credibile della relativitgenerale, della quale valesse la pena dicercare una verifica nell'universo, gliastronomi furono ancora pi riluttanti.Fino alla met degli anni sessanta mol-ti di loro consideravano l'universo unluogo tranquillo e ordinato nel qualequasi tutti i fenomeni erano noti e chiari,un ambiente nel quale non v'era postoper un oggetto stravagante come un bu-co nero.

Nel 1963, per, quest'opinione rice-vette un duro colpo dalla scoperta deiquasar. L'enorme quantit di energiache essi emettono comporta necessaria-mente l'esistenza di una massa gigante-sca che li alimenti, ma le rapide fluttua-zioni di luminosit inducono a ritenereche questa fonte centrale di energia siamolto compatta. La combinazione diuna grande massa e di piccole dimensio-ni presuppone l'esistenza di un campogravitazionale molto intenso: i sospetticominciarono a concentrarsi sui buchineri. Poi, nel 1967, venne la scopertadelle pulsar, oggetti che emettono im-pulsi di onde radio con una regolarit inapparenza inspiegabile. Entro un annosi cap che si trattava di stelle di neutroniin rotazione, oggetti di densit eccezio-nale nei quali una massa approssimati-vamente pari a quella del Sole concen-trata in un volume del diametro di circa20 chilometri. Si tratta di un'estensionespaziale appena tre volte superiore a

v vv v p

TEMPO

quella di un buco nero di pari massa: siriduca una stella di neutroni di tre vol-te, affermava la relativit generale sem-pre pi vigorosamente, e si otterr unbuco nero.

Negli anni successivi altri enigmi e al-tre sorprese si sono manifestati nei se-gnali rilevati da telescopi. antenne radioe altri rivelatori, a un ritmo cos veloceda impedire agli astronomi di rinchiu-dersi nella sicurezza dei propri precon-cetti. I buchi neri generati dal collassogravitazionale di una o pi stelle sonoormai una delle possibilit che gli stu-diosi prendono abitualmente in conside-razione quando cercano di spiegare leproprie osservazioni. In particolare, perquanto riguarda i quasar, l'idea che illoro primo mobile sia un buco nerocon una massa pari ad almeno 100 milio-ni di volte quella del Sole ormai quasiun dato scontato.

Il ruolo dei buchi neri in astrofisica creaqualche imbarazzo di cui si pu com-

prendere la natura rifacendosi al concet-to di paradigma introdotto da Thomas S.Kuhn. Questi, un fisico divenuto filoso-

SPAZIO

XSPAZIO

fo e storico della scienza, impieg il vo-cabolo verso la met degli anni sessantaper descrivere tutto l'insieme di stru-menti che una comunit di scienziati usaper studiare un determinato argomento.Tra i paradigmi della fisica teorica, peresempio, si devono annoverare le equa-zioni che esprimono le leggi fisiche ca-ratteristiche di tale disciplina, molti pro-blemi specifici risolti tramite tali equa-zioni, ma anche - ed ci che pi impor-ta ai fini di questa discussione - un siste-ma di raffigurazioni e di diagrammi, cor-redato da un vocabolario adatto, cheesprime parte degli aspetti matematici inmaniera assai potente ed euristica. Que-ste raffigurazioni, questi diagrammi equesto vocabolario sono la base dell'in-tuizione fisica, la quale a sua volta per-mette i grandi balzi in avanti nella com-prensione di un problema che fanno pro-gredire rapidamente le frontiere dellaconoscenza. Naturalmente il giudice ul-timo resta la matematica, che sola pustabilire se le intuizioni sono giuste.

Negli anni sessanta e settanta i fisicihanno sviluppato un paradigma dei bu-chi neri tanto elegante quanto potente:

Un modello astrofisicodei buchi neri

Descrivendo questi enigmatici oggetti come membrane sferoidali dimateriale conduttore possibile raffigurarne intuitivamente le interazionicon la materia e i campi elettrici e magnetici in cui si trovano immersi

di Richard H. Price e Kip S. Thorne

E possibile giungere a una com-prensione dei buchi neri intermini fisici semplici? E co-

me si possono far rientrare questi corpinati dalla relativit generale, che sono ingrado di imprigionare la luce, curvare lo

spazio e rallentare il tempo, nel catalogodegli oggetti astrofisici dal comporta-mento intuitivamente chiaro? Oggi si ri-tiene comunemente che i buchi neri esi-stano e abbiano un ruolo importante inastrofisica, in particolare come la proba-

L'immagine di un buco nero nel paradigma dello spazio-tempo curvo (a sinistra) diversada quella valida nel paradigma della membrana (a destra). Lo spazio-tempo curvo unacombinazione dello spazio e del tempo in un'entit quadridimensionale unificata (nell'illu-strazione non compare una delle dimensioni dello spazio). I coni di luce rappresentano lapropagazione attraverso lo spazio-tempo della luce emessa in punti specifici; le linee uni-versali (in rosso) delineano la traiettoria delle particelle. Ogni particella dotata di massadeve muoversi pi lentamente della luce; pertanto, i coni di luce che hanno origine in puntisituati lungo la linea universale della particella contengono completamente la linea stessa.Lontano dal buco nero tutti i coni di luce si aprono verso l'alto, mentre nelle sue vicinanzesi inclinano verso l'interno perch l'attrazione gravitazionale del buco nero influenza lapropagazione della luce. Una superficie verticale, l'orizzonte degli eventi, tangente almargine esterno dei coni di luce: un fotone pu spostarsi su di essa, muovendosi lungo lalinea di tangenza, ma una particella dotata di massa deve attraversarla, cadendo nel buconero. Nel paradigma della membrana l'immagine del buco nero collocata nell'usualespazio tridimensionale come una membrana sferoidale di diametro pari a quello dell'oriz-zonte degli eventi nello spazio-tempo curvo, schiacciata perch il buco nero ruota