Modello di Buco Nero

Ottenere una comprensione di base di che cosa è un buco nero e come la sua gravità influisca sullo spazio-tempo costruendo un modello interattivo di un buco nero.

• Usare un’attività pratica interattiva per introdurre gli studenti agli importanti concetti astronomici di buco nero, gravità e spazio-tempo.
• Gli studenti costruiranno un modello fisico della curvatura dello spazio attorno a un oggetto massiccio e ne osserveranno gli effetti su un oggetto meno massiccio.
• Gli studenti saranno in grado di descrivere cosa succede a un oggetto che attraversa un imbuto gravitazionale se la sua velocità non è grande a sufficienza o se l’imbuto gravitazionale è troppo profondo.

Durante (o dopo) l’attività, chiedere agli studenti di descrivere ciò che osservano: come gli oggetti di diversa massa (e gravità) influiscono sullo spazio-tempo?

• Fascia elastica leggera usata per gli infortuni muscolari
• Piccola biglia
• Palla molto pesante (ad esempio una boccia)

Gravità

La gravità è una forza di attrazione tra due oggetti. Tutti gli oggetti con una massa (peso) hanno gravità. La gravità agisce come un magnete, compattando gli oggetti. Cosa causi la gravità non è ancora ben compreso. La Terra ha gravità, che mantiene ogni cosa vicino al pianeta in modo che non fluttui nello spazio: alberi, acqua, animali, edifici e l’aria che noi respiriamo sono tutti trattenuti qui dalla gravità. Anche i nostri corpi esercitano forze gravitazionali sugli altri oggetti. La forza gravitazionale della Terra è molto più forte della nostra, per questo la gravità posseduta dai nostri corpi non è evidente.

La gravità risente delle dimensioni e della prossimità (vicinanza) degli oggetti. La Terra e la Luna hanno un’attrazione vicendevole molto più forte di quella tra la Terra e Giove perché la Terra e la Luna sono più vicine. La Terra ha un’attrazione più forte di quella della Luna perché è più grande, quindi c’è più attrazione sui nostri corpi qui sulla Terra che attrazione sui corpi degli astronauti che hanno visitato la Luna. Questo è il motivo per cui gli astronauti possono saltare più in alto sulla Luna che sulla Terra. In realtà noi non “sentiamo” la gravità. Sentiamo solamente gli effetti quando tentiamo di vincerla saltando, o quando cadiamo. Curiosamente, l’uomo che ha ideato la “Legge di gravitazione universale” è stato ispirato da una mela che cadde sulla sua testa mentre sedeva a pensare in giardino. La mela era attirata verso terra dalla gravità!

Buchi Neri

Un buco nero è una regione nello spazio in cui la gravità è così forte che niente che entra riesce a scappare, nemmeno la luce! I buchi neri si formano quando una stella massiccia esaurisce il combustibile e diventa incapace di sostenere i pesanti strati esterni di gas. Se la stella è grande a sufficienza – approssimativamente 25 masse solari – la gravità attira il gas e provoca la contrazione della stella finché la densità diventa infinita in un singolo punto. Questo è chiamato “singolarità”.

Dopo essersi formato, il buco nero continua a crescere assorbendo massa dall’ambiente circostante, come altre stelle e altri buchi neri. Se un buco nero assorbe abbastanza materiale, crescendo fino a oltre un milione di masse solari, diventa un “buco nero supermassiccio”. Si crede che buchi neri supermassicci esistano al centro della maggior parte delle galassie, inclusa la Via Lattea.

Un buco nero è composto da tre parti: la singolarità (la stella collassata), l’”orizzonte degli eventi interno” (la regione attorno alla singolarità da cui nulla, nemmeno la luce, può scappare) e l’”orizzonte degli eventi esterno” (in cui gli oggetti sentono già gli effetti della gravità de buco nero ma non ne rimangono intrappolati).

Gli astronomi solitamente osservano gli oggetti nello spazio guardandone la luce. Tuttavia, siccome i buchi neri non emettono nessuna luce, non possono essere osservati nel solito modo. Invece, gli astronomi devono osservare l’interazione tra il buco nero e altri oggetti. Per esempio, man mano che il buco nero attira materiale al suo interno, come l’acqua viene risucchiata nello scarico, il materiale forma un disco attorno al buco nero. Siccome il disco ruota sempre più velocemente, si scalda fino a temperature estreme, causando l’emissione nello spazio di enormi quantità di luce e materiale sotto forma di un getto abbagliante. Se puntano verso di noi, questi getti sono estremamente luminosi e possono essere facilmente osservati dai nostri telescopi sulla Terra. Un modo per osservare i buchi neri che non si stanno “nutrendo” è di osservare i moti delle stelle attorno ad esse, in quanto la loro orbita sarà alterata dalla presenza del buco nero.

Spazio-tempo

Lo spazio è composto da tre dimensioni (sopra-sotto, destra-sinistra e aventi-indietro). Se si aggiunge la quarta dimensione, il tempo, allora si ottiene ciò che è chiamato il continuum spazio-temporale. Questo può suonare strano, ma immaginate di incontrare qualcuno: avete bisogno di conoscere la posizione (il luogo nello spazio) a cui incontrarvi, ma avete anche bisogno di sapere a che ora!

Albert Einstein è stata la prima persona a proporre l’idea di un “tessuto spaziale” (spazio-tempo), nella sua “Teoria Generale della Relatività”. Prima delle teorie di Einstein, si credeva che la gravità fosse una forza, così come spiegato da Isaac Newton. La teoria generale della relatività di Einstein, invece, spiega la gravità come “curvatura dello spazio-tempo”. Questo concetto può essere visualizzato immaginando lo spazio-tempo come un foglio di gomma. Le palle sul foglio di gomma piegano il foglio attorno a loro, in un modo simile a come la materia piega lo spazio-tempo.

Nella seguente attività, gli studenti costruiranno un modello di un buco nero, inteso per aiutarli a visualizzare come esattamente un buco nero può “piegare” lo spazio e il tempo e influenzare gli oggetti vicini. L’attività dovrebbe durare circa un’ora.

Fase 1

Prima di iniziare l’attività, usate la sezione “Informazioni sul contesto” per spiegare ai ragazzi il concetto di gravità. Potete farlo raccontando la storia di Isaac Newton e della mela, e facendo saltare i ragazzi per far sentire loro la gravità riportarli sulla Terra.

Fase 2

Tagliare un pezzo di fascia elastica di 40 x 40cm. Se è tubolare, avrete bisogno di tagliarlo da un lato per renderlo piatto.

Fase 3

Chiedere ad alcuni studenti di allungare orizzontalmente la fascia fino a diventare tesa per rappresentare lo “spazio” bidimensionale. Notate che gli studenti devono mantenere la fascia stretta in modo che i loro movimenti non abbiano effetti sull’esperimento.

Fase 4

Posizionate la biglia sulla fascia e fatela rotolare sulla superficie. Il percorso della biglia dovrebbe seguire una linea dritta, simile a un raggio di luce che viaggia attraverso lo spazio.

Fase 5

Scambiate la biglia con la palla pesante. Quando la metterete sulla fascia vedrete come deforma il tessuto dello “spazio”. Lo “spazio” diventa curvo attorno all’oggetto pesante.

Fase 6

Fate rotolare la biglia di prima vicino all’oggetto pesante. La sua traiettoria dovrebbe essere ora alterata dalla deformazione della fascia. Questo è simile a quello che succede alla luce quando passa vicino a un oggetto massiccio che deforma lo spazio che lo circonda. Provate a modificare la velocità della biglia per vedere come la traiettoria cambia.

Fase 7:

Più concentrata è la massa centrale (cioè più pesante è la palla), più la fascia si curverà. Questo aumenta la profondità dell’”imbuto gravitazionale” da cui la biglia non riuscirà a scappare.

Fase 8:

Mentre la biglia passa vicino alla palla grossa, inizia a girare attorno al “buco nero” ed eventualmente ci cade dentro. Ora si può vedere come gli oggetti possono facilmente cadere dentro un buco nero, ma non possano tornare indietro. Questo è quello che succede con i buchi neri: la loro gravità deforma lo spazio in modo tale che la luce o altri oggetti cadano dentro e non possano uscire.

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, the origin and structure of the Universe

IT

Scuola Secondaria di Primo Grado - Scienze Scuola Primaria: 2° biennio - Scienze

Informazioni sui buchi neri sono accessibili sul sito “Ask an Astronomer” (Chiedi a un Astronomo) della Cornell University. Fornisce risposte a diverse domande e specifica il livello di difficoltà: principiante, intermedio, avanzato: http://curious.astro.cornell.edu/blackholes.php

Un video dell’ESO - Osservatorio Europeo Australe mostra dati reali di stelle che orbitano attorno a un buco nero: http://www.eso.org/public/videos/eso0846a/

Un grandioso sito interattivo dello Space Telescope Science Institute con informazioni esaurienti sui buchi neri così come attività ed esperimenti online: http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/

Domande di approfondimento:

• Cosa succede quando diminuisce la velocità della biglia? Perché?
• Cosa succede quando si usa una palla più pesante? E con una biglia più pesante?
• Come potresti sapere se c’è un buco nero da qualche parte osservando il moto delle stelle?