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Claudio Arena Liceo Statale “Enrico Boggio Lera” Via Vittorio Emanuele 346, Catania, Italy www.liceoboggiolera.it [email protected]

BLACK HOLES

I BUCHI NERI

The term Black Hole has only recently been coined. It was first used in 1969 by the physicist John Wheeler and described effectively a twocentury old idea. The studies began in 1783, when John Mitchell, one of the great forgotten scientists of the XVIII century published an essay in The Philosophical transactions of the Royal Society of London where he stated that a star with a large mass and density would present such a gravity as to prevent light from getting out. A beam of light emitted from the surface of this star would be drawn back by the star gravitational attraction. Mitchell understood that a great lot of stars with such characteristics could exist. His great intuition was to imagine that the light leaves a star as we consider it a rocket leaving the surface of the planet. To completely escape Earth’s gravitational attraction and travel through space, a rocket needs a 11/Km/sec velocity n upwards, that is to say, more than the terrestrial gravity attracts it downwards. Mitchell knew nothing about rockets on the moon but he did know that, theoretically a largest star could exert a gravitational attraction such as to swallow the light rays that travel at the speed of 300,000 Km/s. John Mitchell calculated that in a celestial a body with a big mass the gravity would be such as to prevent light to escape from its surface, and theorized that an object with the bigger mass than the universe could be invisible. In 1795, the great French mathematician Pierre Simon de Laplace calculated that light could not have got out of quite massive bodies, the dark bodies as he called them. However, it was only in 1939 that scientists found out that Black Holes could really exist, and in the atomic era it finally became known how a black hole is formed. In 1939 J. Robert Oppenheimer and a student of his, Hartland Snyder, showed that a cold, big mass star is bound to collapse indefinitely, thus becoming a Black Hole. Oppenheimer and Snyder’s work, which came out almost contemporarily to Oppenheimer-Volkoff’s about neutron stars, drew the

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REPRESENTATION OF A BLACK HOLE RAPPRESENTAZIONE DI UN BUCO NERO

Il termine buco nero (black hole) è stato coniato solo di recente. Esso fu creato nel 1969 dal fisico John Wheeler. Questo termine descriveva efficacemente un’idea di almeno due secoli prima. Gli studi sui buchi neri ebbero inizio nel 1783, quando John Michell, uno dei grandi scienziati dimenticati del XVIII secolo, pubblicò nelle Philosophical transactions of the Royal Society

MAIN PHASES OF STAR EVOLUTION FASI PRINCIPALI DELL’EVOLUZIONE STELLARE

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History of Science and Technology of London un saggio in cui precisava che una stella di massa e densità abbastanza grandi avrebbe avuto una gravità tale che la luce non avrebbe potuto uscirne. Un raggio di luce emesso dalla superficie della stella sarebbe stato trascinato all’indietro dall’attrazione gravitazionale della stella. Michell capì che poteva esistere un gran numero di stelle con queste caratteristiche. La sua grande intuizione fu quella di immaginare la luce che lascia una stella simile a un razzo che lascia la terra. Per sfuggire completamente all’attrazione gravitazionale terrestre e viaggiare nello spazio un razzo ha bisogno di una velocità verso l’alto di 11 km/s, cioè superiore alla forza con cui la gravità lo attrae verso il basso. Michel non sapeva nulla di razzi sulla luna, ma sapeva che in teoria una stella molto grande poteva avere un’attrazione gravitazionale tale da inghiottire i raggi luminosi che viaggiano alla velocità di 300.000 km/s. John Michel calcolò che in un corpo con una massa molto grande la gravità sarebbe tale da impedire alla luce di sfuggire dalla sua superficie e ipotizzò che l’oggetto con la massa più grande dell’universo potrebbe essere invisibile. Nel 1795, il grande matematico francese Pierre Simon de Laplace calcolò che la luce non avrebbe potuto uscire da corpi abbastanza massicci, che chiamò corpi oscuri.

IMAGE OF THE DUST DISC SURROUNDING THE BLACK HOLE INSIDE THE SPIRAL GALAXY NGC 4261 IMMAGINE DEL DISCO DI POLVERE ATTORNO AL BUCO NERO (CENTRO DELLA GALASSIA A SPIRALE NGC 4261)

same conclusions: black holes could exist. They could be real objects, not only mathematic games of people sharing an interest in Einstein’s theory. In the Sixties, when Einstein’s theory of general relativity came back in fashion, black holes were thoroughly studied and their features clarified in detail. Furthermore, in the mid-sixties, scientists calculated that there can’t be stable dead stars bigger than three solar masses and as we commonly observe stars (not yet collapsed) which have much bigger masses, astrophysicists have taken into serious consideration the idea that black holes are scattered about in the cosmic space. To completely understand how a black hole is generated, men have had to wait and live the atomic era, when scientists began to comprehend what happens inside a star. A star is composed of three main parts: the visible surface, called photosphere, a gas mass containing most of

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BLACK HOLE IN M87 BUCO NERO IN M87

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Ma si dovette attendere fino al 1939 per prothe star mass, vare che i buchi neri potrebbero esistere nella and a small realtà, e l’era atomica per capire bene qual’e il central numeccanismo alla base della loro formazione. cleus. The Nel 1939 J: Robert Oppenheimer e un suo nucleus has studente, Hartland Snyder, mostrarono che una to counterbalstella fredda e di grande massa deve collassare ance the indefinitamente, diventando un buco nero. il lamass gravivoro di Oppenheimer-Snyder, che apparve quasi tational push contemporaneamente all’articolo di Oppenheiand carries mer-Volkoff sulle stelle di neutroni, raggiungeout this task va le stesse conclusioni: i buchi neri potevano exerting a REPRESENTATION OF A GALAXY CON- pressure. A esistere. Potevano essere oggetti reali, non solo TAINING A BLACK HOLE giochi matematici di persone che si interessavano star can realRAPPRESENTAZIONE DI UNA GALASSIA alla teoria di Einstein. Negli anni Sessanta, ize such presCONTENENTE UN BUCO NERO quando la teoria della relatività generale di Einsure through stein tornò di moda, i buchi neri furono intensithe nucleus’contorsion: the gas is compressed, vamente studiati e furono chiarite in dettaglio le heats up and generates enough pressure to sustain loro proprietà. Inoltre nella metà degli anni Sesitself. This contraction, however, would provide a santa gli scienziati calcolarono che non si possostar with energy for only 15 million years, whereas no avere stelle morte stabili maggiori di tre masse we know that the Sun is 4.57 billion years old. solari e dato che si osservano comunemente stelTherefore, there must be another source of presle (non ancora collassate) con masse molto più sure: this source is the thermonuclear fusion. In a grandi, gli astrofisici hanno preso in seria consistar like the Sun, thermonuclear fusion reaction derazione l’idea che buchi neri si trovino sparsi occurs between two atoms of hydrogen that genernel cielo. ate one of helium. When hydrogen is over, a star Ma per comprendere appieno come si possa begins to contract. If, during the contraction temformare un buco nero si deve attendere l’era peratures of 108 K are reached, the reaction of fuatomica, periodo in cui si cominciò a capire mesion occurs between the Helium atoms. As helium glio quello che accade all’interno di una stella. fuses, it produces Carbon and Oxygen, Carbon Una stella è formata da tre parti principali:la fuses into Neon and Magnesium; Oxygen into superficie visibile, chiamata fotosfera;un inviSilicium and Sulfur and Neon, Magnesium, Sulfur luppo gassoso contenente la maggior parte della and the rest fuse into a series of reactions (so far massa; un piccolo nucleo centrale. Il nucleo deve only partly understood) to generate Iron. From iron combattere la spinta gravitazionale dell’invino other reaction takes place, and so the nucleus luppo. E svolge questo compito esercitando una starts to contract. If the star is less than 1.5 solar pressione. Una stella può masses big, (one and a half the ottenere questa pressione sun mass) the matter density dalla compressione del nuitself generates enough prescleo:il gas viene compresso, sure to sustain the star si riscalda e genera pressione (degenerating pressure). A sufficiente a sostenersi. Ma la white dwarf is born, a super contrazione darebbe energia dense star, not bigger than our a una stella come il sole solo earth. One of the first dwarfs to SPACE-TIME CURVATURE per 15 milioni di anni, menbe discovered was the one CURVATURA DELLO SPAZIO-TEMPO

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which orbits around Sirius, the brightest star in the sky, a winter sky colossus called Sirius B. This star concentrates a mass close to that of the Sun in a volume nearly equal to the earth’s. It is then extremely dense. One has to imagine that a box of matches full of solar matter would weigh 15 grams, while filled with Sirius B matter would have a weight of 10 tons if it were on the Earth. Instead, if the star features more than 1.5 the solar mass, the degenerating pressure is no more sufficient. The neutrons collapse onto the nucleus and the star becomes a super dense star with a mass equal to the sun enclosed in a sphere with a 20 Km diameter, about the size of New York. There, the matter collapses and becomes so dense that the quantity of matter equal to 1/100th of a pin-head would weigh as much as 24 elephants. A neutron star is born. Yet, if the star features more than 3 solar masses, the collapse is inevitable. The mass of the star gets concentrated in an infinitely small as well as infinitely dense point. Gravity is so high it doesn’t even let the light out; that’s why it looks black: only a black hole is visible in space. However, how a black hole may show up all its power is a matter which Profes-

tre il sole ha circa 4,57 miliardi di anni. Ci deve essere quindi un'altra fonte di pressione: questa fonte si chiama fusione termonucleare. In una stella come il sole la reazione di fusione termonucleare avviene tra due atomi di idrogeno che ne formano uno di elio. Quando finisce l’idrogeno la stella inizia a contrarsi. Se nella contrazione si raggiungono temperature di 108 K si innesca la reazione di fusione tra atomi di Elio. L’Elio fondendo genera Carbonio e Ossigeno, il Carbonio fonde in Neon e Magnesio; l’Ossigeno in Silicio e Zolfo, e Neon, Magnesio, Zolfo e il resto fondono in una serie di reazioni (capite solo in parte) per formare Ferro. Dal Ferro non avviene più nessuna reazione. E così il nucleo inizia a contrarsi. Se la stella ha meno di 1,5 masse solari (una volta e mezzo la massa del sole) la stessa densità della materia genera pressione in grado di sostenere la stella (pressione di degenerazione). È nata una nana bianca, una stella super densa, non più grande della terra. Una delle prime nane bianche scoperte è stata quella che orbita attorno a Sirio, la stella più luminosa del cielo, colosso del cielo invernale, Sirio B. Questa stella concentra una massa vicina a quella del sole in un volume vicino a quello della terra. È così molto denso. Basti pensare che una scatola di fiammiferi piena di materia solare peserebbe 15 grammi, mentre riempita di materia di Sirio B peserebbe 10 tonnellate, se fosse collocata qui sulla terra. Se la stella ha invece più di 1,5 masse solari la pressione di degenerazione non è più sufficiente. I neutroni collassano sul nucleo e la stella diventa una stella superdensa con la massa del sole racchiusa in una sfera di 20 km di diametro, circa la città di New York. Lì la materia collassa e diventa così densa che una parte di materia grande 1/100 di una capocchia di spillo peserebbe quanto 24 elefanti. È nata una stella di neutroni. Ma se la stella ha più di 3 masse solari il collasso è inevitabile. La massa della stella viene concentrata in un punto infinitamente piccolo e infinitamente denso. La gravità è così forte da non fare uscire nemmeno la luce. Per questo appare nera: si vede

FROM LEFT: WILLIAM HAWKING, MARTIN REES, MICHEAL GRIFFIN (NASA ADMINISTRATOR) DA SINISTRA: WILLIAM HAWKING, MARTIN REES, MI-

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History of Science and Technology solo un buco nero nello spazio. Ma come può manifestarsi un buco nero in tutta la sua potenza è una questione che viene studiata approfonditamente dal professor William Hawking. Nato esattamente 300 anni dopo la morte di Galileo, Hawking occupa la stessa cattedra di Newton alla Cambridge University. La mente di Hawking si muove liberamente non nell’universo di Newton, ma in quello di Albert Einstein. Abbiamo l’abitudine di considerare - dice Hawking - la gravità come una forza che attrae gli oggetti verso la terra e questa verso il sole ma Einstein ha avuto la brillante idea di considerare la gravità come un effetto della curvatura dello spazio e del tempo in presenza di corpi molto grandi; egli ha compreso che niente può esistere in un certo spazio senza esistere contemporaneamente in un determinato tempo. La spazio e il tempo sono legati insieme a formare la flessibile struttura quadro dimensionale dell’universo: il cosi detto spazio-tempo. Lo spazio-tempo è quasi impossibile da immaginare, poiché il nostro universo sensoriale è limitato alle tre dimensioni dell’esperienza quotidiana. Per noi il modo più semplice di entrare nell’universo di Einstein è di immaginare che lo spazio e il tempo siano come un piano elastico. Se lo spaziotempo fosse vuoto il piano sarebbe assolutamente privo di rilievi, ma corpi molto grandi come la terra e il sole piegano la superficie elastica dello spazioREPRESENTATION OF THE GRO J1677-40 BINARY SYSTEM tempo incurRAPPRESENTAZIONE DEL SISTEMA vandola. QueBINARIO GRO J1677-40

A GALACTIC BLACK HOLE (REPRESENTATION) UN BUCO NERO GALATTICO (RAPPRESENTAZIONE ARTISTICA)

sor William Hawking is closely concerned with. Born exactly 300 years after Galileo Galilei’s death, Hawking has the same professorship as Isaac Newton at Cambridge University. Hawking’s mind moves freely not in Newton’s universe, but in Einsteins’s one. We are used to thinking about gravity – Hawking says – as a force which attracts objects to the earth and the earth to the Sun, but Einstein had the great idea of considering gravity as an effect of the space and time curvature in presence of very big bodies. Einstein understood that nothing can exist in a certain space without existing in a certain time simultaneously. Space and time are linked together to form the flexible frame dimensional structure of the universe: the so-called space-time. Space-time is almost impossible to imagine because our sensory universe is limited to our everyday three-dimension experience. The best way for us to get into Einstein’s universe is to imagine that space and time are like an elastic plan. If space-time were empty, the plan would have absolutely no reliefs, but big bodies like the earth and the sun bend the elastic surface of space-time producing a curve. This curvature represents Einstein’s concept of gravity. The bigger is the mass of a star or a planet, the deeper is the curvature of space-time around it and consequently the bigger is its gravity. Imagine to launch onto a plan something extremely heavy like a

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star collapsing on itself and you will find a universe full of holes. While a giant star gets cold as long as it implodes, it bends the space-time around itself more and more. When it reaches a particular critical mass, it will literally create a black hole in the space-time. Objects can precipitate into it but can never get out of it. One of the most brilliant experts of black holes, Phil Charles, looks for them. Phil has found strong signals that show the presence of a black hole in a not far area of our galaxy. As he points out, looking for these objects is an extraordinary way of get ting closer to the borders of modern physics. By day Phil Charles holds lessons of theoretical astrophysics at Oxford university and by night he passes from theory to practice looking for black holes with the biggest telescopes on the Earth: Las Palmas and Hawaii in the north hemisphere, in South Africa, Chile and Australia in the southern one. The searchers of black holes exploit the best instruments to peruse the deep space look-

REPRESENTATION OF BINARY SYSTEM M33 X-7 RAPPRESENTAZIONE DEL SISTEMA BINARIO M33 X-7

sta curvatura è il concetto einsteiniano di gravità. Maggiore è la massa di una stella o di un pianeta, più grande è la curvatura dello spazio tempo attorno a essi, e maggiore è quindi la loro gravità. Si immagini di lanciare su piano qualcosa di estremamente pesante come una stella che collassa su se stessa e vi troverete un universo pieno di buchi. Quando una stella gigantesca si raffredda man mano che implode piega sempre di più lo spazio-tempo intorno a sé. Quando raggiungerà un a certa massa critica creerà letteralmente un buco nero nello spazio-tempo. Gli oggetti possono precipitare in esso, ma è impossibile che riescano ad uscirne. Phil Charles, uno dei maggiori studiosi di buchi neri, si dedica a dar loro la caccia. Phil ha trovato forti segnali che indicano la presenza di un buco nero in un’area non lontana della nostra galassia. Come lui stesso dice, cercare questi corpi è un modo straordinario per avvicinarsi ai confini della fisica moderna. Di giorno Phil Charles tiene lezioni di astrofisica teorica alla Oxford University e di notte passa dalla teo-

STARS EVOLUTION EVOLUZIONE STELLARE

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History of Science and Technology ria alla pratica cercando buchi neri dai più grandi telescopi della terra: Las palma e Hawaii nell’emisfero settentrionale, in Sudafrica, in Cile e in Australia. I cercatori di buchi SIRIUS A AND SIRIUS B neri utilizzano gli strumenti migliori per scrutare lo spazio profondo alla ricerca di questi oggetti misteriosi: dai satelliti a raggi x e dal telescopio Hubble in orbita ai migliori telescopi ottici e a onde radio sulla terra. I buchi neri per la loro stessa natura non possono essere visti, poiché la luce non riesce a uscirvi. La scienza ufficiale ha accettato l’idea che i buchi neri possono effettivamente esistere solo negli anni Novanta. La teoria ci insegna che all’interno dei buchi neri tutto ciò che sappiamo dell’universo e delle sue leggi non ha più valore. Quando una grande stella muore dovrà per forza dare luogo a un buco nero. Ma come si fa a trovare un oggetto invisibile che potrebbe trovarsi a centinaia di migliaia di anni luce di distanza? Con più stelle nel cielo che granelli di sabbia in tutte le spiagge del mondo, come è possibile trovare una piccola stella nera che inghiotte la luce invece di brillare come un faro nella notte? Gli astronomi non cercano propriamente i buchi neri, ma gli effetti che essi provocano nello spazio circostante. Gli astronomi cercano una stella visibile che può essere rimasta intrappolata nell’orbita di un buco nero ma anche queste non sono facili da riconoscere. È come cercare un ago in un pagliaio, con la differenza che se l’ago non si fa sentire non c’è speranza di trovarlo. Fondamentale fu il lancio negli anni Ottanta da parte dei giapponesi del satellite a raggi x Ginga, dotato di uno strumento in grado di individuare qualunque sorgente di raggi x nell’universo. Sono in pratica i raggi x a informarci della presenza di un buco nero. Nel 1989 il satellite Ginga registrò un improvviso aumento dei raggi x in una regione non lontana della nostra galassia. La sorgente della

ing for these mysterious objects: from the x-ray satellites and the orbited telescope Hubble, to the best optical or radio-wave telescopes on earth. Black holes cannot be seen by definition since light can’t get out of them. Official science accepted the idea that black holes could exist only in the 90s. Theory tells us that inside black holes all that man knows about the universe and its laws is no longer worth. When a great star dies, it will by all means create a black hole. But how can you possible find an invisible object which may be located hundreds of light years away? With more stars in the sky than sand grains in all the world’s beaches, how is it possible to spot a small black star that swallows light instead of shining like a lighthouse at night? Astronomers do not properly look for black holes, but for the effects they provoke in the surrounding space. Astronomers look for a visible star which may have remained trapped in a black hole’s orbit but this too is not easy to recognize. It is like looking for a needle in a haystack, with the difference that if the needle is not felt there is no hope of finding it. In the 80s the Japanese made a big step ahead in this field by launching the x-ray satellite Ginga, provided with a device able to spot any source of x rays in the universe. In practice, it is x-rays which inform us of the presence of a black hole. In 1989, the satellite Ginga recorded a sudden increase of xrays in an area not distant from our galaxy. The source of radiation was an invisible object 3,000 light years away around which there seemed to rotate a scarcely brilliant star. Such star had been classified as Cygnus v404. It was exactly the star the astronomers were looking for. The hypothesis is that the invisible object is a black hole originated from a star, the most common type. According to

SIZE OF THE STARS DIMENSIONI DELLE STELLE

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the theory a black hole like this should have a mass equal to ten of our sun, but with a diameter equal to the city of London. A second type of black holes is less common, being these far bigger than the previous ones, located in the middle of galaxies. A matching analogy of what occurs to Cygnus v404 is with a well built man and a very thin woman. While they rotate, the man hardly shifts whereas the woman counterbalances their weights and moves much faster. Calculations demonstrate that Cygnus v404 completes a total orbit around its partner once every 6.5 days. In order to gain such a high speed, it has to rotate around a body with a remarkable gravitational mass. It has been calculated that the mass of Cygnus v404’s mysterious partner equals four times that of the sun. This means that it is noticeably heavier, as related to theoretical calculations, than a neutron star. Almost surely it is a black hole. This black hole is driving v404 into a fatal ballet, subtracting gas from the unlucky star to feed a big disc of matter. While advancing spirally towards the black hole, these particles heat up and send a last x-ray signal to the external world. By the

BINARY SYSTEM SISTEMA BINARIO

radiazione era un oggetto invisibile a 3.000 anni luce di distanza dalla terra attorno al quale sembrava ruotare una stella poco luminosa. La stella era stata catalogata come cigno v404. Era proprio la stella che gli astronomi cercavano. L’ipotesi è che l’oggetto invisibile sia un buco nero di origine stellare, il tipo più comune. In base alla teoria un buco nero di questo tipo dovrebbe avere una massa pari a dieci volte quella del nostro sole, ma con il diametro della città di Londra. Meno comune è un secondo tipo di buchi neri, molto più grandi dei precedenti, che si annidano al centro delle galassie. Un’eccellente analogia di quello che succede a cigno v404 è quella di un uomo robusto e di una donna molto gracile. Mentre roteano l’uomo a mala pena si sposta, mentre la donna per bilanciare i loro pesi si sposta molto di più. I calcoli dimostrano che v400 compie un’orbita completa attorno al suo partner misterioso una volta ogni sei giorni e mezzo. Per raggiungere una velocità così alta deve ruotare attorno ad un corpo con una massa gravitazionale notevole. È stato calcolato che la massa del partner misterioso di v404 è pari a quattro volte quella del sole. Ciò significa che è notevolmente più pesante, rispetto a calcoli teorici, di una stella a neutroni. Quasi certamente è un buco nero. Questo buco nero sta guidando v404 in una danza fatale sottraendo gas alla sfortunata stella

CYGNUS X-1 (X RAY) CIGNO X-1 (RAGGI X)

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History of Science and Technology per alimentare un grande disco di materia. Queste particelle, avanzando a spirale verso il buco nero, si scaldano e inviano un ultimo segnale a raggi x al mondo esterno. In modo analogo sono stati identificati dagli astronomi una decina di oggetti simili. Uno dei primi fu cigno x1. Su quest’oggetto K. S. Thorne e Stephen William Hawking hanno fatto una scommessa: cigno x1 è un buco nero? William Hawking aveva scommesso di no. Come lui stesso dicequesto non vuol dire che non credevo ai buchi neri. È che avevo bisogno di una sorta di polizza assicurativa. Avevo dedicato molto lavoro ai buchi neri e sarebbe stato solo tempo perso se si fosse scoperto che non esistevano. Almeno avrei avuto la consolazione di vincere la scommessa.quando nel 1974 Hawking e Thorne fecero la scommessa non c’erano prove consistenti, ma col passare degli anni le prove divennero più convincenti e Hawking dovette così pagare la scommessa. Come racconta lo stesso Thorne, nel 1990 Hawking si trovava a Los Angeles e venne nel mio ufficio a fare varie copie di quello che avevo vinto si trattava dell’abbonamento per un anno a Penthouse, con grande disgusto della moglie come racconta Hawking. Questa scommessa scritta a mano su un foglio di carta, è divenuta il simbolo del primo riconoscimento dell’esistenza dei buchi neri da parte della comunità scientifica.

REPRESENTATION OF THE CYGNUS X-1 BINARY SYSTEM RAPPRESENTAZIONE DEL SISTEMA BINARIO CIGNO X-1

same token the astronomers have spotted about ten similar objects. One of the first was cygnus x1. On this object K. S. Thorne and Stephen William Hawking made a bet: is cygnus x1 a black hole? William Hawking had bet it wasn’t. As he points out – this does not mean I did not believe in black holes. It’s just I needed some sort of insurance policy. I had worked a lot on black holes and it would have only been a waste of time had we found out they did not exist. I would at least have had the consolation to win the bet. When, back in 1974, Hawking and Thorne made the bet, there were no positive proofs but as time went by proofs became more convincing and Hawking had to pay the bet. As Thorne himself recounts, in 1990 Hawking was in Los Angeles and came to my office to make some copies of what I had won, the yearly subscription to Penthouse, with his wife’s great disappointment –as Hawking says. This BINARY SYSTEM WITH FORMATION OF A BLACK HOLE hand-written bet on a paper SISTEMA BINARIO CON FORMAZIONE DI UN sheet, became the symbol of BUCO NERO the first acknowledgement

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Un articolo pubblicato su Nature il 20 ottobre rivela che è stato scoperto un buco nero, nella Galassia del Triangolo (chiamata anche M33 e distante da noi circa tre milioni di anni luce) che orbita intorno a una stella, con un periodo di tre giorni e mezzo. La particolarità di questo corpo (catalogato col nome M33 X-7) è di essere estrema-

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of the existence of black holes by the scientific community. An article published on Nature on October 20th reveals that a black hole had been discovered, in the Triangle Galaxy, (also called M33, about 3 million GALAXY WITH A BLACK HOLE light years far GALASSIA CON BUCO NERO from earth) which orbited around a star with a 3.5 days’ period. The peculiarity of this body (catalogued as M33 X7) is that it is extremely massive: it is thought to have a mass 15.65 times as much as the sun’s, being so the most massive as yet observed black hole, and also its partner has a quite high mass value (about seventy times as much as our Sun’s). Jeffrey McClintock of Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics of Cambridge, has explained that it is an enormous star that has an enormous black hole as partner. At the end the partner will become a supernova: so there will be a couple of black holes. The data obtained through observations, however, is in contrast with today’s theories concerning black holes, and so Jerome Orosz, of San Diego State University, one of the article’s authors, has maintained that it is this discovery that arouses all sorts of questions about the possibile origins of such a black hole. In fact, a black hole is born from the collapse of a massive star but, in the case of a binary star system, the star with a bigger mass collapses first and turns into a black hole. This did not happen with M33 X-7, because the star which gave origin to the black hole had a smaller mass than its partner. Furthermore, the generating star should also have had a much bigger radius, even superior to the actual distance between the two celestial bodies, such that the two stars would have had to share part of each other’s atmosphere. On the basis of our

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mente massiccio: si calcola che abbia una massa pari a 15,65 volte quella del Sole, rendendolo così il buco nero più massiccio finora osservato, e anche la sua compagna ha un valore della massa molto elevato (circa settanta volte la massa del Sole). Jeffrey Mc Clintock dell’HarvardSmithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, ha spiegato che Si tratta di un’enorme stella che ha come compagno un enorme buco nero. Alla fine, la compagna diventerà una supernova: si avrà così una coppia di buchi neri. I dati ottenuti dalle osservazioni, però, sono in contrasto con le teorie attuali riguardo ai buchi neri, e perciò Jerome Orosz della San Diego State University, uno degli autori dell'articolo, ha affermato che è questa scoperta a far sorgere ogni sorta di domanda circa le possibili origini di un simile buco nero. Infatti, un buco nero nasce dal collasso di una stella massiccia, ma, nel caso di un sistema binario di stelle, collassa per prima in un buco nero la stella avente la massa maggiore. Ciò non è successo nel caso di M33 X-7, poiché la stella che ha poi dato origine al buco nero aveva una massa minore della sua compagna. Inoltre, la stella genitrice avrebbe dovuto anche avere un raggio molto maggiore, superiore addirittura alla distanza attuale dei due corpi celesti, tale che le due stelle avrebbero dovuto condividere parte della loro atmosfera. Sulla base delle conoscenze attuali, questa condizione non dovrebbe permettere di dare vita a un buco nero di massa così elevata, a causa della perdita di materiale gassoso. Lo studio del buco nero appena scoperto potrebbe portare a nuove conoscenze sull'origine dei buchi neri e della loro evoluzione e alla revisione delle teorie attuali. Forse non troveremo mai le risposte, ma almeno sappiamo dove cercarle. Iconography www.scienzaonline.com/astronomia/img/ nascita-buco-nero3g.jpg, scienza online, Guido Donati www.gsfc.nasa.gov/gsfc/spacesci/pictures/

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present knowledge, this status is not likely to give life to such a big-massed black hole, owing to the loss of gas matter. The study of the newly discovered black hole might bring new information about the origin of black holes and their evolution or to reviewing our current theories. Maybe no answers will be given, but at least we shall know where to find them

blackhole/BH1m.jpg, NASA, Brian Dunbar; www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/IMAGES/ BHOLE1.JPG, osservatorio astronomico di Padova, Renato Falomo; www.astrosurf.com/cosmoweb/documenti/ buchineri.html,astro surf; www.lastronomia.it/News2006/07-2006.htm, L’astronomia, M. Ferrara, F. Oldani, R. Serpilli; www.ivreastrofili.it/Astrofisica/Testi/ Relativit%E0%20generale.htm,gruppo astrofili Eporediesi www.nasa.gov/images/ content/163830main_Hawking_Griffin_Rees.jpg, NASA, Brian Dunbar; http://diamante.uniroma3.it/hipparcos/ BlackHole.jpg, Università degli studi di Roma, Joram Marino; www.scienzagiovane.unibo.it/mortestelle/ neri.html, Università di Bologna, R. Giacomelli. B. Poli; http://chandra.harvard.edu/photo/2007/ m33x7/m33x7.jpg, osservatorio astronomico di Roma, Marco Castellani; www.pd.astro.it/MOSTRA/ IMAGES/120702.JPG, osservatorio astronomico di Padova, Renato Falomo http://astrolink.mclink.it/ids/lib/nanabi.htm, Astro-link, Stefano Iacus; www.astrosurf.com/cosmoweb/stelle/ evoluzione.html, astro surf; www.castfvg.it/zzz/ids/steneutr.html, circolo astrofili talmassons, Lucio Furlanetto; www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/ EVOL.HTM#stelle6, osservatorio astronomico di Padova, Renato Falomo; www.bo.astro.it/sait/spigolature/ spigo101base.html, osservatorio astrofisica di Bologna, Marco Lolli; www.torinoscienza.it/dossier/apri? obj_id=8864, Torino scienza, Patrizia Picchi, http://diva.mporzio.astro.it/webdiva/News/ news_universo_nov.htm, osservatorio astronomico di Roma, Francesco D’Alessio.

Bibliography Hawking W. Stephen, Dal big bang ai buchi neri, Rizzoli, Milano, 1988; Hawking W. Stephen, Inizio del tempo e fine della fisica, Mondadori, Milano, 1992; Hawking W. Stephen, Buchi neri e universi neonati, Rizzoli, Milano, 1995; Hawking W. Stephen & Roger Penrose, La natura dello spazio e del tempo, Sansoni, Milano, 1996; Kaufmann J. Williams, Le nuove frontiere dell’astronomia, Sansoni, Firenze, 1980; Shipmen B. Harry, Buchi neri, Quasar e universo, Zanichelli, Bologna, 1982; www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/ A3003EVO.HTM, INAF istituto nazionale di astrofisica, Renato Falomo, Daniela Fantinel; www.esa.int/SPECIALS/Missione_Possibile/ SEMOEJD3M5E_0.html, ESA European space agency, Fulvio Drigani; www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/ Biographies/Newton.html, School of Mathematical and Computational Sciences;University of St Andrews, John J O'Connor e Edmund F Robertson; www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2007122, NASA, Brian Dunbar; www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/ A5022RAD.HTM, INAF istituto nazionale di astrofisica, Renato Falomo, Daniela Fantinel; www.ecplanet.com/print.php? id=3205&madre=9, ECplanet, Edoardo Capuano; www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/EVOL.HTM, INAF istituto nazionale di astrofisica, Renato Falomo, Daniela Fantinel.

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