Qui discuteremo dell'affascinante e misterioso campo dei buchi neri con il dottor Gaurav Khanna, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Rhode Island, riguardo all'importanza dello studio dei buchi neri, ai vantaggi e alle sfide, agli aspetti entusiasmanti sullo studio dei buchi neri e su come i futuri studenti proseguiranno lo studio dei buchi neri.

Allora, qual è l'importanza dello studio dei buchi neri?

"La gravità è la forza più antica conosciuta, ma la meno compresa in natura", dice il dottor Khanna a Universe Today. "Per gli studiosi della gravità, i buchi neri sono tra gli oggetti più interessanti da studiare perché lì la gravità è la forza dominante, anzi, è infinitamente forte! Poi ci sono ragioni astrofisiche di interesse per i buchi neri. Essi svolgono un ruolo importante nelle galassie, forse anche nel comportamento su larga scala dell'universo e altro ancora.

"L'altra cosa da notare sui buchi neri è che sono molto 'semplici' soprattutto se paragonati alle stelle e ad altri oggetti astrofisici. Questa è una conseguenza del cosiddetto teorema 'senza capelli' che afferma che i buchi neri possono essere completamente caratterizzati da soli tre attributi:massa, carica e rotazione. Questa semplicità li rende particolarmente attraenti per lo studio e la ricerca."

I buchi neri sono noti per mostrare una gravità così forte che la luce non può nemmeno sfuggire, e mentre la teoria della relatività generale di Albert Einstein del 1915 è spesso accreditata per aver proposto per prima il concetto di buchi neri, il concetto di un oggetto le cui dimensioni e gravità non sarebbero consentire alla luce di fuoriuscire fu proposto per la prima volta in una lettera del novembre 1784 dal filosofo e sacerdote inglese John Mitchell.

In questa lettera, Mitchell si riferiva a questi oggetti come "stelle oscure" poiché postulava che le stelle il cui diametro superava 500 volte quello del nostro sole avrebbero innescato la formazione di questi oggetti. Inoltre, ha suggerito che le onde gravitazionali che influenzano i corpi celesti vicini avrebbero consentito di rilevare questi oggetti.

Avanti veloce fino alla teoria della relatività generale di Einstein, che prevedeva anche l'esistenza dei buchi neri e delle onde gravitazionali, entrambi i quali continuarono ad essere esaminati attentamente per tutto il 20° secolo, che comprende quella che viene chiamata "l'età dell'oro della relatività generale" durante gli anni '60 e Anni '70. Tra questi figura il primo oggetto accettato dalla comunità scientifica come buco nero, chiamato Cygnus X-1, scoperto nel 1964. Tuttavia, ci sono voluti altri 52 anni perché l'esistenza delle onde gravitazionali fosse confermata attraverso una fusione di buchi neri, che è stato realizzato dalla Collaborazione Scientifica LIGO.

Pertanto, data la lunga storia e le scoperte chiave avvenute solo negli ultimi anni, quali sono alcuni dei vantaggi e delle sfide dello studio dei buchi neri?

Il Dr. Khanna dice a Universe Today:"Come ho affermato sopra, lo studio dei buchi neri, che sono una conseguenza della teoria della relatività di Einstein, offre informazioni sulla natura della gravità, dello spazio e del tempo ai livelli più fondamentali. Come fisici, dobbiamo ancora sviluppare una comprensione completa della natura quantistica della gravità e i buchi neri sono la chiave per svelare quel mistero.

"Per quanto riguarda le sfide, direi che la più chiara forse è che i buchi neri possono essere osservati solo indirettamente. A differenza delle stelle, poiché non emettono radiazioni stesse, è difficile per gli astronomi raccogliere dati su di essi. Nella migliore delle ipotesi, possiamo osservare la loro influenza sull'ambiente (come gas, stelle, ecc.) e dedurne le proprietà e il comportamento.

"Dal punto di vista teorico, anche se è vero che i buchi neri sono molto 'semplici' rispetto alle stelle, ci sono ancora delle sfide. La matematica e la fisica che li descrivono sono abbastanza avanzate e anche le simulazioni al computer che li coinvolgono sono impegnative, richiedendo un'elaborazione massiccia." potere e memoria."

Mentre ci sono voluti più di 100 anni tra l’introduzione della teoria della relatività generale da parte di Einstein nel 1915 e la conferma delle onde gravitazionali nel 2016, ci sono voluti solo altri tre anni perché gli astronomi pubblicassero la prima immagine diretta di un buco nero al centro di Messier 87. galassia.

I risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal Letters e sulla base delle osservazioni effettuate nel 2017 dal potente Event Horizon Telescope (EHT). Mentre Messier 87 si trova a circa 53 milioni di anni luce dalla Terra, il buco nero ipotizzato più vicino, Gaia BH1, si trova a circa 1.560 anni luce dalla Terra. Nel 2022, gli astronomi hanno pubblicato un'immagine diretta di Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio al centro della nostra Via Lattea.

Il dottor Khanna dice a Universe Today:"Suppongo che probabilmente farei riferimento al mio recente lavoro su come i buchi neri in rotazione molto rapida tentano di" far crescere i capelli "ma alla fine falliscono. Il progetto è interessante perché sembra suggerire una violazione del " teorema senza capelli" che ho menzionato prima, ma alla fine non è così, quindi è provocatorio, ma allo stesso tempo sollevante!

"Ancora più importante, stiamo ora utilizzando il contesto principale di quella ricerca per sviluppare una nuova 'firma' osservativa o test per i buchi neri in rapida rotazione, ovvero i buchi neri quasi estremi. Tali buchi neri hanno diverse proprietà e aspetti peculiari e sono un'area di ricerca attiva."

I buchi neri sono studiati da astronomi, fisici e astrofisici, che utilizzano una combinazione di teoria e osservazioni per costruire come potrebbero apparire e, in rari casi, come discusso, ottengono immagini dirette di essi. Per quanto riguarda la teoria, i ricercatori utilizzano calcoli matematici e modelli computerizzati per simulare come potrebbero apparire i buchi neri, e poi hanno utilizzato potenti telescopi terrestri come l'EHT per ottenere le poche immagini dirette dei buchi neri.

È importante notare che queste immagini dirette non catturano il buco nero stesso, ma i gas che circondano l'orizzonte degli eventi del buco nero, o il confine non ufficiale dove la luce non può sfuggire al buco nero.

Ma quali consigli può offrire il dottor Khanna ai futuri studenti che desiderano dedicarsi allo studio dei buchi neri?

Il dottor Khanna dice a Universe Today:"Offrirei loro molto incoraggiamento! C'è molto da fare in questo spazio e molti misteri da risolvere. Nuove osservazioni apriranno molte nuove porte e nuove strade per la ricerca. Questo è uno dei momenti migliori per essere un astrofisico dei buchi neri!"

Il dottor Khanna continua:"L'unica cosa che potrei dire, forse, ma che non è tanto enfatizzata altrove riguarda l'informatica come strumento per studiare i buchi neri. Per lo più c'è una forte enfasi sull'apprendimento della matematica avanzata come base per una seria ricerca sui buchi neri." buchi, e per una buona ragione, che continua ad essere fondamentale per ogni studente della teoria della relatività di Einstein, che è il fondamento della fisica dei buchi neri.

"Negli ultimi anni, le simulazioni al computer hanno fatto rapidi progressi e ora è possibile fare importanti scoperte su questioni profonde utilizzando strumenti computazionali. A lungo termine, la programmazione del computer sarebbe uno strumento molto promettente per far avanzare la ricerca in questo campo e anche in molti altri. "