Velocità di fuga e Karl Schwarzschild

              Karl Schwarzschild

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« [In questo lavoro] si ottiene una soluzione non statica delle equazioni gravitazionali di Einstein che rappresenta un aggregato, dotato di simmetria sferica, di particelle che si muovono radialmente in uno spazio vuoto. Benché Einstein abbia ritenuto che la singolarità di Schwarzschild sia fisicamente irraggiungibile, poiché la materia non può essere concentrata arbitariamente, la presente soluzione sembra dimostrare che non vi è un limite teorico al grado di concentrazione, e che la singolarità di Schwarzschild non ha significato fisico in quanto compare solo in particolari sistemi di coordinate. » A. Raychaudhuri

La nascita di un buco nero è sempre stato considerato un evento così impercettibile da sfuggire quasi a qualunque tipo di strumento esistente. I segnali per individuarli, distinti e caratteristici, sono  emessi da una stella morente appena prima della sua formazione. Altrimenti è comunque possibile individuarli mediante lo studio della disposizione della materia attorno al buco nero stesso o grazie al ritrovamento di enormi getti di materia che fuoriescono.
Secondo la consolidata teoria sull’origine di queste particolari regioni deformate dello spaziotempo dove il tempo scorre più lentamente, quando una stella massiva, terminato il suo combustibile (Idrogeno, elio, carbonio, neon, etc), collassa a causa della propria gravità, dà origine ad un oggetto estremamente denso, il buco nero appunto, il cui processo di formazione viene ultimato con l'esplosione di una supernova o un gamma ray burst.
Questo processo produce anche i neutrini, ovvero particelle subatomiche elementari di massa a pari a 0,05 eV/c2 (8,913309 × 1042 kg) e carica elettrica nulla che attraversano facilmente quasi ogni tipo di materia e viaggiano a velocità prossime a quella della luce, che trasportando con sé una grande quantità di energia e, quindi, anche grandi quantità di massa. Questo rapido calo di massa, a sua volta, causa una diminuzione della forza gravitazionale del nucleo, e, di conseguenza, un improvviso allontanamento degli strati gassosi più esterni della stella morente.
Ciò che rimane è una regione delimitata dal cosiddetto "orizzonte degli eventi" (dei quali ho approfondito alcuni aspetti nell'articolo Orizzonti apparenti? Stephen Hawking e Il fascino del paradosso di Hawking), una superficie ideale individuata dal raggio di Schwarzschild per un corpo statico che segna un particolare confine nel buco nero (per esempio il raggio di Schwarzschild del buco nero supermassiccio situato al centro della Galassia Via Lattea a circa 7900 ± 430 parsec, ovvero 26000 ± 1400 anni-luce, dal pianeta Terra è pari a 7,8 milioni di km circa).

In virtù di ciò una immagine che verrebbe proiettata al di fuori del sistema fisico ove si trova il buco nero risulterebbe ferma, solo dopo che il corpo da cui parte l'immagine supera un determinato punto. Dato che a questo punto tutto ciò che si trova nel buco nero non sarà più visibili da un osservatore esterno, ma l'osservatore interno potrà assistere a strani fenomeni. Se all'interno di un buco nero la luce orbita intorno al punto di maggior gravità potremmo vedere cose che l'anatomia umana non ci permetterebbe di vedere, come il nostro capo visto di spalle. L'idea di un oggetto che viene brutalmente smaterializzato deve essere abbandonata, infatti il processo è lungo ed "elegante": il corpo si allungherebbe e pian piano si dividerebbe (questo processo viene definito come "spaghettificazione"). In fine diventeremo un solo fascio di atomi che avvinandosi all'orizzonte degli eventi sarà portato a temperature così elevate che di noi rimarranno solamente lampi di energia.

La sfera fotonica

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La sfera fotonica è un confine sferico di spessore nullo tale che i fotoni che si spostano tangenti alla sfera sono intrappolati in un'orbita circolare. Per i buchi neri non-rotanti, la sfera fotonica ha un raggio di 1,5 volte il raggio di Schwarzschild. Mentre la luce può ancora sfuggire dall'interno della sfera fotonica, ogni luce che attraversa la stessa con una traiettoria in entrata sarà catturata dal buco nero. Qualsiasi fotone che raggiunge un osservatore esterno deve essere stato emesso dagli oggetti all'interno della sfera stessa, ma ancora al di fuori dell'orizzonte degli eventi. Altri oggetti compatti, come le stelle di neutroni, possono avere sfere fotoniche. Ciò deriva dal fatto che il campo gravitazionale di un oggetto non dipende dalla sua dimensione effettiva, quindi ogni oggetto che è più piccolo di 1,5 volte il raggio di Schwarzschild corrispondente alla sua massa può effettivamente avere una sfera di fotoni.