Sai cos’è il concetto di campo? Scopriamolo attraverso un buco nero “impossibile”

Un studio pubblicato su Nature dimostra l’esistenza di un buco nero 70 volte più massivo del Sole all’interno della Via Lattea.

Buco nero attorno al quale ruota una stella

Si chiama LB-1 ed è stato scoperto da un gruppo internazionale di astronomi guidato da Jifeng Liu. Fino ad oggi si riteneva che nella nostra galassia potessero esistere solo buchi neri leggeri, ossia con una massa non superiore a 15 volte quella del nostro Sole. Tuttavia, un nuovo metodo di ricerca potrebbe rivoluzionare questa convinzione.

Il più grande buco nero mai scoperto nella Via Lattea

La ricerca di buchi neri anomali è cominciata dopo la rilevazione di onde gravitazionali insolite, ma si è scontrata con grosso limite nei sistemi di ricerca moderni. In genere, i buchi neri vengono scoperti quando sono accompagnati da una stella che ruota attorno a loro e dalla quale risucchiano gas in abbondanza, cosa che provoca l’emissione di raggi X. Tuttavia, esistono molti buchi neri che non hanno tale peculiarità. Essi risultano praticamente invisibili: difatti, dei 100 milioni di buchi neri stimati nella galassia se ne conoscono all’incirca due dozzine.

Per superare questo limite, gli astronomi hanno iniziato a monitorare le orbite di migliaia di stelle. Dall’analisi della luminosità di una di queste (grazie a diversi telescopi terrestri e spaziali) si è potuto capire che in certi momenti si avvicinava a noi e in altri si allontanava. Ciò ha suggerito che stesse ruotando attorno a qualcosa di silenzioso. Dall’orbita della stella si è potuto poi ricostruire la massa dell’oggetto invisibile e così è stato scoperto il buco nero LB-1, che la stampa ha prontamente definito “impossibile”. Questo nuovo metodo di ricerca sfrutta l’interazione gravitazionale tra due corpi, ma questa da dove nasce? Per spiegarlo dobbiamo introdurre il concetto di campo.

L’ormai celebre prima fotografia di un buco nero

Un buon esempio per spiegare il concetto di campo

Per capire bene che cos’è il concetto di campo in fisica è necessario un notevole sforzo di immaginazione. Pensiamo a uno spazio completamente vuoto. All’interno di questo spazio, poniamo un oggetto dotato di massa, per esempio il buco nero di prima. Che cosa c’è all’interno del nostro spazio? Solamente il buco nero? Risposta sbagliata. Oltre al buco nero, in tutto lo spazio si è propagata l’informazione che il buco nero esiste. Quest’informazione in fisica è chiamata campo gravitazionale e per tale motivo lo spazio non si può più definire “vuoto”.

Pensiamo ora di porre all’interno dello spazio un secondo oggetto, per esempio la stella monitorata nel paragrafo precedente. Se lo spazio fosse vuoto alla stella non accadrebbe assolutamente nulla. Tuttavia così non è. Lo spazio non è vuoto, ma contiene il campo gravitazionale del buco nero, ossia l’informazione che il buco nero esiste. Per tale motivo sulla stella nasce una forza gravitazionale che la attrae verso il buco nero e che la mette in moto lungo una traiettoria che definiamo orbita.

Campo gravitazionale terrestre e interazione Terra-Luna

Campi di forze, ma non solo, campi dipendenti dalla posizione nello spazio

Se non esistesse il campo gravitazionale, non ci sarebbe alcun motivo per l’instaurarsi della forza gravitazionale. Perciò, questo particolare campo è detto di forze. Un altro esempio di campo di forze è il campo elettrico che si genera attorno a un corpo carico elettricamente (come un elettrone). In questo caso il campo elettrico trasmette nello spazio circostante l’informazione sulla presenza di un elettrone. Sembrerebbe dunque che il concetto di campo sia strettamente correlato con quello di interazione a distanza, ma non è sempre così.

Difatti, questo è solo un caso particolare di campo. Più in generale, i fisici descrivono il campo come una grandezza esprimibile in funzione della sua posizione nello spazio e del tempo. Cerchiamo di fare chiarezza, partendo dalla prima parte della definizione. Secondo quest’ultima, un campo è una funzione che associa ad ogni punto dello spazio una determinata grandezza. Pensiamo, per esempio, a una stanza con un camino acceso e una finestra aperta. In ogni punto della stanza la temperatura sarà diversa. La parte di stanza vicina al camino avrà una temperatura maggiore rispetto a quella vicina alla finestra. Se riusciamo a esprimere con una legge matematica la distribuzione di temperatura all’interno della stanza, si può parlare di campo di temperatura. La stessa cosa si può fare con la pressione o, per esempio, con il livello dell’acqua in un bacino lacustre.

Campo di pressione usato durante le previsioni meteorologiche

E campi dipendenti dall’istante di tempo osservato

Quest’ultimo è un buon esempio per parlare della seconda parte della definizione, quella che coinvolge il tempo. Infatti, se lanciamo un sasso in acqua, sul bacino si propagheranno una serie di onde, ossia una perturbazione del campo che descrive il livello dell’acqua. In questo caso, ogni punto dello spazio assumerà un valore dipendente anche dal tempo trascorso dopo il lancio del sasso. Nei primi istanti le onde saranno più intense e quindi il campo cambierà velocemente, salvo poi stabilizzarsi dopo un intervallo sufficientemente elevato.

La stessa cosa accade se apriamo le finestre di una stanza calda e la lasciamo raffreddare. Inizialmente la stanza avrà una certa temperatura omogenea, poi la temperatura diminuirà per un periodo transitorio, finché non si sarà stabilizzata con la temperatura esterna.

Campo che descrive il livello dell’acqua raggiunto sulla superficie di un bacino lacustre

Ma quindi, se un campo di temperatura associa ad ogni punto dello spazio una certa temperatura e se lo stesso fanno i campi di pressione e di livello di un fluido, allora che cosa caratterizza il campo gravitazionale descritto nel primo paragrafo? La risposta è semplice. Il campo gravitazionale attorno a un determinato oggetto massivo associa ad ogni punto dello spazio una certa accelerazione dipendente dalla sua massa, dalla costante di gravitazione universale e dalla distanza dall’oggetto stesso. Un esempio? L’accelerazione di gravità a cui siamo soggetti, dipendente dalla massa della Terra, dalla nostra distanza col centro della Terra (pari al raggio terrestre) e dalla costante di gravitazione universale. Poiché queste tre grandezze sono più o meno simili in tutti i punti della superficie terrestre, l’accelerazione è a grandi linee omogenea e pari a 9.81 m/s^2.

Variazione dell’accelerazione di gravità sulla superficie terrestre

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