Presentazione dell'articolo Buco nero discutibile Traduzione francese: D

Presentazione dell'articolo****Il buco nero in discussione

Traduzione francese:

Dubbi sull'esistenza dei buchi neri.

Autori:

Jean-Pierre Petit, Osservatorio di Marsiglia

Pierre Midy, CRI di Orsay.

Per andare direttamente all'articolo scientifico.

Questo lavoro rappresenta i risultati di dieci anni di sforzi. Negli ultimi 30 anni, gli astrofisici hanno avuto solo un termine sulle labbra: "buchi neri". L'argomento affascina il pubblico e diversi libri vi sono già stati dedicati. Tuttavia, la conferma osservativa è ancora carente: i buchi neri "risplendono per la loro assenza". Eppure il cosmo è vasto. La nostra sola galassia contiene almeno da 100 a 200 miliardi di stelle.

L'esistenza di alcuni oggetti è stata dimostrata dall'osservazione, ad esempio i quasar. Ora ne conosciamo più di quattromila. Ciò non significa che comprendiamo completamente questi oggetti, come si formano, come evolvono e la loro durata di vita. In realtà, non sappiamo nulla di loro. Sono semplicemente catalogati nello stesso modo in cui erano catalogate le "nebulose" ai tempi dell'astronomo Messier.

A quanto pare, alcuni quasar risiedono al centro di formazioni di tipo galattico. Queste galassie hanno un "nucleo attivo", il che può significare tutto e nulla allo stesso tempo: non conosciamo nulla della natura di questa attività, né ad esempio della sua fonte di energia.

L'astrofisica contemporanea sembra accontentarsi di poco. Alla domanda:
- Che cos'è un quasar?
L'astrofisico risponde:
- È il nucleo di una galassia attiva.
E alla domanda:
- Che cos'è una galassia attiva?
Risponderà:
- È una galassia con un quasar al centro...
Recentemente, pochi anni fa, abbiamo scoperto i "lampi gamma", uno al giorno. La copertina della rivista francese Ciel et Espace (Cielo e Spazio) una volta aveva il titolo "Lampi gamma: un mistero finalmente risolto". Risposta, nelle colonne della rivista: un piccolo punto brillante è stato appena osservato nella posizione di un lampo gamma rilevato. Significato: risolvere un mistero significa sapere che le aree del cielo che emettono lampi emettono anche luce....

Non è un po' ... povero?
Al contrario, esistono altri oggetti la cui esistenza è stata ipotizzata, spesso con buona precisione, prima della loro osservazione. L'esempio tipico è la supernova, descritta nel 1931 dall'astrofisico americano (di origine svizzera) Fritz Zwicky durante una famosa conferenza al Caltech, USA. Zwicky spiegò all'epoca che stelle sufficientemente massicce, diciamo con masse superiori a venti masse solari, dovrebbero giungere a una fine parossistica con un aumento di potenza nell'arco di pochi giorni, l'intero fenomeno che si svolge in circa venti giorni. Fu una previsione notevole, sebbene non fosse presa sul serio all'epoca. Tuttavia Zwicky, tenace, scoprì le prime supernove. Oggi ne conosciamo diverse centinaia. Lo stesso vale per le stelle di neutroni, identificate successivamente come pulsar (stelle di neutroni rotanti) e nane bianche. Anche questa specie ha diverse centinaia di individui identificati.
Il buco nero fu proposto come risposta a un problema: che ne è di una stella di neutroni che supera una certa "massa critica". Queste stelle di neutroni, chiaramente identificate, assomigliano a enormi nuclei atomici, privi di protoni. Perché questi oggetti sono composti esclusivamente da neutroni?
Consideriamo le stelle di neutroni come ciò che rimane del nucleo di ferro di una stella massiccia dopo che è esplosa. Una stella massiccia è una stella in cui avvengono diversi tipi di fusione durante la sua vita. Finisce per produrre ferro che non può partecipare ad alcuna ulteriore reazione di fusione esoenergetica. Questo ferro, pesante, cade quindi verso il centro della stella, come la cenere in un camino. Quando la stella esaurisce improvvisamente il combustibile (come Zwicky intuì), collassa su sé stessa a 80.000 chilometri al secondo (più o meno un chilometro al secondo, ovviamente). Cadendo sul nucleo di ferro, questo gas viene fortemente compresso. Non solo rimbalza, ma si producono diverse reazioni di fusione che non devono più essere esoenergetiche poiché l'energia proviene dalla brutale contrazione della stella su sé stessa. Si creano ogni sorta di specie nucleari, inclusi molti atomi radioattivi con durate di vita estremamente variabili. Nel 1987, l'esplosione della stella Sanduleak, nella Nube di Magellano, diede una conferma definitiva dell'esistenza di tali fenomeni (a soli 150.000 anni luce di distanza).
Il fenomeno schiaccia completamente il nucleo di ferro dislocando i suoi atomi. Diventa così compresso su sé stesso che gli elettroni non hanno più spazio sufficiente per muoversi tra i nucleoni. Intrappolati, si combinano quindi con i protoni per dare neutroni e neutrini.
Normalmente, quando comprimiamo un gas, il fenomeno noto come pressione si oppone alla compressione. Questo vale anche per un liquido o un solido (tutto è comprimibile). È ciò che accade quando nasce una giovane stella. La protostella è una massa di gas che si assesta su sé stessa. Ma così facendo si riscalda e la forza di pressione limita la contrazione. È un cattivo radiatore ma deve perdere energia per radiazione (infrarossa) prima di potersi contrarre abbastanza da diventare una vera stella. Tuttavia, se la sua massa è insufficiente, diventerà un "grande Giove" (questo gigante planetario continua a irradiare più energia di quanta ne riceve dal Sole ma non diventerà mai una stella).

Quando l'esplosione di una supernova comprime il nucleo di ferro, quest'ultimo evacua la sua energia emettendo una quantità fantastica di... neutrini. Qui lo scenario cambia completamente: il raffreddamento radiativo è istantaneo perché i neutrini possono sfuggire senza difficoltà. Nessuna contropressione quindi. Il grumo di ferro viene schiacciato miseramente. Rimane solo un mucchio di neutroni, premuti l'uno contro l'altro come i giapponesi nella metropolitana durante l'ora di punta.

Perché una massa critica? Perché i neutroni non possono sopportare una pressione superiore a un valore massimo. Come lampadine elettriche ammassate in un pozzo di miniera. Dopo un certo livello di lampadine, il vetro si romperà e un mucchio di vetro rotto cadrà sul fondo del pozzo.

Quando una stella di neutroni ha una massa leggermente superiore a due volte la massa del Sole, la pressione nel suo nucleo diventa troppo elevata. I neutroni non possono più sostenerla. Si suppone quindi che collassi su sé stessa e nessun fenomeno fisico noto è in grado di opporsi a questo "collasso gravitazionale". Una prospettiva angosciante per un astrofisico.

Anche prima di esplodere, una stella di neutroni è "relativistica", a differenza di un oggetto "newtoniano". Ciò è dimostrato dall'aspetto delle traiettorie delle "particelle di riferimento" vicino a una massa m (un atomo, ad esempio). Sappiamo che il fenomeno della curvatura dello spaziotempo provoca una precessione dell'orbita ellittica di Mercurio. Ma la precessione è minima. Tuttavia, la figura seguente, sviluppata da calcoli al computer, mostra l'importante precessione di una traiettoria quasi ellittica attorno a una stella di neutroni.

Quindi, non c'è modo di descrivere una stella di neutroni con "materiali newtoniani".
Il programma di calcolo è relativamente semplice e un giorno, quando avrò tempo, lo metterò sul sito affinché possiate giocarci, e mostrare il fenomeno della lente gravitazionale (molto esagerato nel seguente):

Quindi, poiché si tratta di descrivere il destino di una stella di neutroni che raggiunge la criticità, è necessario utilizzare un'"equazione di campo", quella di Einstein.

S = c
T

T è un "tensore" che descrive il contenuto locale in "energia della materia". Il tensore è nullo all'esterno e non nullo all'interno. La soluzione geometrica deve quindi essere dedotta da due equazioni.
Per l'interno:

S = c
T

per l'interno

S = 0

Le soluzioni per questo tipo di equazione sono chiamate "metriche". Tuttavia, non importa quale forma assumano gli oggetti. Inoltre sono "tensori", e per capire cosa sia un tensore, buona fortuna... Mi ci è voluto molto tempo.
Il Sole è associato a una "geometria" locale, che è la soluzione delle due equazioni. La prima descrive l'interno del Sole e la seconda il vuoto attorno ad esso. Tuttavia possiamo descrivere solo una sorta di "Sole ideale" che consiste in una sfera riempita di materia a densità costante. Ma è meglio di niente. Queste soluzioni hanno espressioni matematiche che non tratteremo qui. Non vi diranno nulla. Ognuna ha la propria "patologia personale". Chiamiamo rn il raggio della stella, di densità costante r. Da questa densità r, e dal valore c della velocità della luce, possiamo calcolare un primo raggio caratteristico, "R circumflex":

La soluzione geometrica interna è "non patologica" se, e solo se, il valore del raggio rn è inferiore a questo valore critico.

Con gli stessi dati possiamo calcolare il secondo raggio caratteristico:

che chiamiamo "raggio di Schwarzschild" Rs. La soluzione esterna, che fa riferimento al "vuoto" che circonda la nostra stella di densità costante r e raggio costante, sarà non patologica se, e solo se, il valore del raggio della stella rn è superiore a questa lunghezza caratteristica. Raggruppando entrambi, è necessario che:

La quantità a destra dipende dalla densità della stella (tra

1015 e 1016 grammi
per centimetro cubo). A densità costante, la quantità a sinistra aumenta come il cubo del raggio Rn della
stella.
Questo è valido per il Sole, considerato una stella a densità costante in prima approssimazione. Cosa intendiamo per "patologie"? Tutto: quantità sotto i radicali che diventano negative, denominatori che diventano nulli. Possiamo quindi vedere che una stella a densità costante non può essere descritta dal seguente tipo di soluzione stazionaria:

Il "raggio di Schwarzschild" del Sole è di 3,7 km: ben all'interno (rn). Divertitevi a calcolarlo, dato che il suo raggio è di 695.000 km, il valore del secondo raggio critico "R circumflex" è più alto.
Se si trattasse del Sole, su scala della figura, il raggio di Schwarzschild (3,7 km) sarebbe solo un punto e il raggio "R circumflex" andrebbe ben oltre il foglio. La figura sopra si riferisce più a una "stella di neutroni subcritica".
Come avviene la "salita alla criticità"? Basta aggiungere strati di neutroni, aumentando la densità costante (paragoniamo la stella di neutroni, se non a un solido, almeno a una goccia di fluido praticamente incomprimibile).

Otteniamo le curve sopra semplicemente usando la formula mostrata. Il raggio della stella aumenta ma il "raggio di Schwarzschild" lo raggiunge. E i due si incontrano quando rn

raggiunge il valore "R circumflex". Allora, sulla superficie della stella, la quantità sotto i radicali diventa negativa, i denominatori diventano nulli ecc. Questa è la traduzione matematica, geometrica della criticità. Il che significa semplicemente che è impossibile descrivere la stella utilizzando una o entrambe le soluzioni geometriche combinate ottenute dall'equazione di Einstein con il secondo membro non nullo (interno) o nullo (esterno). Il valore massimo caratteristico di questo raggio è di circa 20 chilometri. Da questo si può calcolare la densità della stella di neutroni.
Ma c'è qualcosa di poco noto, anche tra gli "uomini cosmici", sebbene derivi da lavori svolti negli anni '40: c'è un'altra criticità, di natura fisica questa volta, che appare appena prima che il raggio della stella raggiunga questo valore. È un valore estremamente vicino, inferiore solo del 5%. Ma quando il raggio della stella lo raggiunge o, il che equivale, la massa raggiunge un valore doppio della massa del Sole, la pressione al centro della stella diventa infinita, in virtù di un modello "TOV" sviluppato negli anni '40 da Tolman, Oppenheimer e Volkov (l'Oppenheimer della bomba).

Pressione all'interno di una stella di neutroni in funzione della distanza dal centro per diversi valori di massa dell'oggetto.

Questo è un dato fondamentale per noi.

Di seguito l'evoluzione della pressione, all'interno della stella di neutroni, in funzione della distanza dal suo centro, per diverse masse:

...Forse gli scienziati, come gli altri, non si pongono domande a cui pensano di non poter dare una risposta. Come si risponde alla domanda:
- Cosa accade in un ambiente dove, in un certo punto, la pressione diventa improvvisamente infinita?
Ma nessuno ha posto la domanda, almeno non in questo modo. A quanto pare, non ha colpito nessuno. Molti specialisti di cosmologia con cui ho parlato ignoravano questo aspetto.
Torniamo alla "storia del buco nero". Potremmo dire: Il fenomeno di implosione di una stella di neutroni destabilizzata è un fenomeno non stazionario. Costruiamo quindi una soluzione non stazionaria per l'insieme delle due equazioni sopra. Tuttavia non sappiamo come farlo, in modo credibile. Quindi i teorici si sono rivolti alla "soluzione esterna" (quella che descrive, ad esempio, la geometria all'esterno del Sole e che diventa "patologica" al raggio di Schwarzschild di 3,7 km).
- In altre parole, "togliete il Sole" e esploriamo le proprietà di questa geometria. Così...
- Ma è una soluzione che si riferisce a un universo vuoto?!

• Non fateci caso, vediamo cosa otteniamo...
  Lo studio è iniziato sulle traiettorie radiali di oggetti in caduta libera verso ciò che sarebbe, in queste condizioni, "un buco nero di massa solare" del diametro di 3,7 km. La variabile t è stata mantenuta, doveva riferirsi al tempo vissuto da un "osservatore esterno", un buon terrestre che guarda il Sole appena evocato via. È stato scoperto che il tempo di caduta libera di ogni particella di prova, misurato secondo questo tempo, diventa infinito. Tuttavia, se attaccassimo un orologio alla suddetta particella, essa arriverebbe al centro geometrico dell'oggetto in un periodo di tempo finito.
  I teorici hanno quindi proposto la seguente visione:
• Questa soluzione esterna stazionaria trova un nuovo, provvidenziale impiego. In effetti, il collasso gravitazionale avviene in un periodo molto breve (circa un decimillesimo di secondo per una stella di neutroni destabilizzata). Tuttavia, poiché il fenomeno sembra durare per un tempo infinito per un "osservatore esterno", una soluzione stazionaria può essere usata per descrivere un fenomeno eminentemente non stazionario.
  Se non ci sono Tordi, mangeremo Merli....
  Partendo da questa idea, i teorici hanno iniziato a chiedersi cosa sarebbe successo alla materia quando attraversava la superficie di Schwarzschild. E lì hanno trovato tutti gli orrori menzionati prima. Il tempo della particella è diventato... pura immaginazione. La velocità della particella superava la velocità della luce. Diventa un tachione, la cui massa è ... immaginaria ecc., ecc.
  Alcuni hanno persino suggerito (e lo si può trovare in molti libri) che all'interno della sfera, la variabile r si trasformasse in tempo e la variabile t in... distanza radiale.
  Come Jean Heidmann, cosmologo a Meudon, ora in pensione, era solito dire:
  • Quando si parla di buchi neri, bisogna lasciare il buon senso nell'armadio...
    In queste condizioni, se decidiamo di dimenticare il buon senso, dove sta il limite dell'irragionevolezza? Come decidiamo di costruire una "fisica dell'inosservabile". È il caso della "materia oscura" di cui si dice e si scrive qualsiasi cosa, spesso al ritmo di diverse decine di articoli al giorno. Sembra che nessuno abbia esaminato il modello gemellare, ampiamente sviluppato sul mio sito. Tuttavia, alcuni ricercatori stranieri (Cina, Giappone) sembrano averlo ripreso bene.
    Ci sono novità in questo settore. Nel '88-'89 ho pubblicato tre articoli in Modern Physics Letters A (riprodotti sul sito) che hanno lanciato l'idea, senza precedenti, di una cosmologia in cui le costanti fisiche potrebbero variare, inclusa la sacrosanta velocità della luce c. L'idea è stata "riscoperta" nel 1993. Numerosi articoli sono stati pubblicati da allora in riviste molto selettive come Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Esiste già un gruppo piuttosto numeroso di "variatori di costanti". Alcuni di loro hanno scoperto il mio lavoro sul sito Internet. Molti di loro erano stupiti, ancor più dal fatto che il lavoro provenisse dalla Francia, un paese che non si è mai fatto notare per un'importante innovazione in cosmologia, o anche in astrofisica (campi tipicamente tedeschi, russi, americani o britannici). Il contatto è stato stabilito in modo molto cordiale. I cinesi, non senza umorismo, hanno detto che dovevano prendere l'atlante per trovare la posizione di Marsiglia e avevano "l'impressione di scoprire una regione sconosciuta del globo".
    Perché questa digressione? Perché, a nostro avviso, l'aumento vertiginoso della pressione nel nucleo della stella di neutroni dovrebbe alterare le costanti della fisica e creare un "ponte ipertorico" tra l'universo e il suo gemello. È un'idea che necessita di ulteriori studi. Detto ciò, se è necessario aiuto in questa impresa, molto probabilmente verrà dai "variatori di costanti" che hanno già oltrepassato il confine. Per il momento siamo gli unici "gemellaristi", ma le cose potrebbero non restare sempre così.
    A nostro avviso, quindi, il contesto gemellare dovrebbe cambiare completamente lo scenario per una stella di neutroni destabilizzata. Tuttavia, prima di poter proporre un modello sfidante, dobbiamo studiare il modello classico del buco nero. È ciò che viene fatto in questo lungo articolo. Le cose non sono trattate "in ordine". In una sezione abbiamo esaminato attentamente il lavoro di Kruskal, mostrando i difetti del suo approccio.
    Tutto è motivato. Nel 1960 Kruskal aveva notato che nel modello iniziale (la "metrica di Schwarzschild") la velocità della luce era nulla sulla sfera in questione, la "sfera dell'orizzonte", alias la Sfera di Schwarzschild, e si è messo a curare questa "malattia".
    Ma come si lavora sulle soluzioni geometriche? Possono essere inventate altre? La risposta è no. Credo che l'articolo mostri chiaramente il carattere arbitrario della scelta delle coordinate. Per sua essenza, una soluzione geometrica è di "coordinate invarianti", non dipende dalle coordinate scelte. Immaginate una bolla di sapone. È una superficie. In un certo senso è una soluzione a un'equazione di campo che corrisponde al fatto che l'energia usata nella tensione, per bilanciare una pressione costante all'interno della bolla, è costante su tutta la sua superficie. Alla domanda:
  • Qual è la superficie che reagisce meccanicamente in modo da poter sostenere una sovrapressione interna?
    La risposta è:
  • È una sfera.
    Ma questa sfera, un oggetto geometrico, esiste indipendentemente dal sistema di coordinate usato per identificare i suoi punti. Ora sappiamo che usando un sistema di meridiani e paralleli creiamo singolarità polari, punti apparentemente singolari mentre in realtà non lo sono. Sono singolarità indotte dalla scelta delle coordinate. Nel caso della sfera, tra l'altro, queste singolarità sono inevitabili. La figura qui sotto mostra una sfera e il suo sistema di marcatura con coordinate di latitudine e longitudine.

Nota: Possiamo mappare una sfera, darle un sistema di marcatura con due parametri usando solo un polo. Vedi le figure seguenti:

Prima marcatura, prima famiglia di curve a un parametro a ottenuta tagliando la sfera con piani passanti per una retta tangente a uno dei suoi punti.

Questa è combinata con la seconda famiglia di curve ottenuta tagliando la stessa sfera lungo un'altra retta tangente alla sfera nello stesso punto, ad esempio, ortogonale alla prima.

La sfera, così mappata, vista da un altro angolo che nasconde la sua unica singolarità.