I buchi neri by Steven S. Gubser e Frans Pretorius

autore:Steven S. Gubser e Frans Pretorius [Pretorius, Steven S. Gubser e Frans]
La lingua: ita
Format: epub
editore: Bollati Boringhieri editore
pubblicato: 2018-03-27T22:00:00+00:00

Figura 4.2

Illustrazione del processo di Penrose, guardando giù lungo l’asse di rotazione del buco nero sul piano equatoriale, dove orbitano la navicella e il proiettile.

Facciamo il punto della situazione. La rotazione complica la struttura geometrica dei buchi neri di Kerr, in confronto a quelli di Schwarzschild, e impartisce una svolta inaspettata alle traiettorie di particelle vicine all’orizzonte: l’effetto di trascinamento. Se lanciamo un certo numero di sonde con luci lampeggianti in un buco nero di Schwarzschild, da ogni direzione, un osservatore esterno non le vedrà mai attraversare l’orizzonte. Invece, sembreranno rallentare mentre si avvicinano a esso, bloccandosi tutte nello stesso modo, con i lampi che arrivano sempre più di rado, e con luce sempre più virata verso il rosso. In un buco nero di Kerr, si vedrà una scena simile, eccetto che, a causa dell’effetto di trascinamento, questo «bloccarsi» delle sonde si traduce in un moto rotatorio alla stessa velocità del buco nero. Vogliamo ora descrivere come la rotazione dei buchi neri di Kerr offra un meccanismo per ricavarne energia.

Ricordiamo che, in relatività, la massa è equivalente all’energia (E = mc2). Una forma comune di energia è l’energia cinetica, e l’equivalenza E = mc2 implica che la materia si possa convertire in altre forme di materia più un certo ammontare di energia cinetica, e viceversa (per esempio durante una reazione nucleare). In un buco nero, tutta l’energia corrispondente alla sua massa è intrappolata, per lo meno ignorando effetti quantistici di cui parleremo nel capitolo 7. Però, la rotazione è una forma di energia cinetica, e in quanto tale si può estrarre da un buco nero. In realtà nulla verrebbe estratto dall’interno del buco nero; piuttosto, si potrebbe sfruttare l’energia rotazionale nello spaziotempo attorno al buco nero. Un modo per farlo è il cosiddetto «processo di Penrose», in onore del suo scopritore, lo stesso Penrose della congettura di censura cosmica. Il processo è il seguente (v. figura 4.2): una stazione spaziale orbitante attorno a un buco nero, a una certa distanza, manda una navicella a caccia di energia lungo una geodetica che entra all’interno dell’ergosfera. Le geodetiche equatoriali sono le più indicate per questa impresa. Una volta entrata all’interno dell’ergosfera, la navicella spara un proiettile pesante ad alta velocità in direzione opposta alla rotazione del buco nero. Naturalmente, a causa dell’effetto di trascinamento, sia il proiettile, sia la navicella appariranno muoversi attorno al buco nero nello stesso senso; la navicella andrà più veloce. È importante che il proiettile sia pesante, in confronto alla navicella, perché il rinculo sarà consistente. Il proiettile dovrà essere sparato in una direzione tale che il rinculo spinga la navicella su un’orbita che la rimandi sulla stazione spaziale, mentre il proiettile cade nel buco nero. Se la velocità iniziale del proiettile sarà sufficientemente alta, il suo momento angolare avrà segno opposto a quello del buco nero. Quando il proiettile viene inghiottito, la velocità angolare del buco nero stesso diminuirà di un ammontare corrispondente. Ma il momento angolare totale si conserva, e quindi (terza legge di Newton) la navicella deve aver acquistato energia cinetica.

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