Attività didattica progettata da Zahra Seyedeh Hosseini Shahisavandi  durante il corso di dottorato “Designing multi-sensory public engagement activities” tenuto all’Università di Padova nel 2025. L’attività è parzialmente ispirata a Illuminiamo un buco nero.

Breve descrizione dell’attività

Un buco nero si forma quando una stella massiccia esaurisce il suo combustibile e collassa. Il suo nucleo si comprime in un punto di densità infinita chiamato singolarità. Attorno ad esso si trova l’orizzonte degli eventi: il confine oltre il quale nulla può sfuggire. Nemmeno la luce riesce a uscire, motivo per cui lo chiamiamo “nero”. In questa attività costruiremo un buco nero per scoprirne il funzionamento e per capire come la gravità impedisca alla luce di fuggire (Figura 1).

Figura 1: Il modello di un buco nero che mostra come il percorso della luce venga modificato a causa della sua immensa gravità.

Materiali necessari per l’attività

I materiali necessari per l’attività sono (Figura 2):

  • Tessuto elastico (per rappresentare lo spaziotempo)
     Usa spandex o lycra di colore scuro per simulare il tessuto dell’universo. 
  • Telaio o anello rotondo (per tendere il tessuto)
     Un hula hoop o un telaio circolare robusto per tendere bene il tessuto. 
  • Mollette o morsetti
     Per fissare saldamente il tessuto all’anello. 
  • Palline di varie dimensioni e masse
    • Una palla pesante (es. una palla da biliardo) per rappresentare il buco nero
    • Diverse palline leggere (es. biglie o palline da ping-pong) per rappresentare pianeti o la luce
  • Colori liquidi (come la tempera)
     Per tracciare i percorsi delle palline leggere sul tessuto.
Figura 2: Il materiale necessario per svolgere l’attività.

 

 

Svolgimento dell’attività

Introduzione

Poni ai partecipanti alcune domande semplici e generali per capire cosa già sanno: questo ti aiuterà a decidere quanto contesto fornire prima di introdurre il concetto principale ovvero che i buchi neri non possono essere osservati direttamente, ma solo attraverso i loro effetti. Tramite le domande, introduci alcuni concetti fondamentali come le dimensioni, lo spazio-tempo, la luce, le forze, la gravità, le stelle e infine i buchi neri.

Esempi di domande che puoi porre: Cosa sapete dello spazio, oltre la Terra? Come funziona la gravità? Che cos’è una stella? Avete mai sentito parlare dei buchi neri? Avete mai visto il film Interstellar?

 

 

Costruzione del buco nero con il tessuto

Prima di tutto, fissa bene il tessuto all’anello con le mollette (Figura 3).

Figura 3: Il tessuto steso al di sopra dell’anello.

A questo punto mostra come si comporta una pallina leggera sulla superficie piana (Figura 4). Spingila delicatamente: si muoverà in linea retta, illustrando la prima legge del moto di Newton.

Figura 4: Comportamento del tessuto in presenza di una pallina.

 

Poi, posiziona una palla più pesante al centro del tessuto per creare una curvatura. Fai rotolare di nuovo la pallina leggera: questa volta, invece di andare dritta, girerà intorno alla palla pesante seguendo un percorso curvo o ellittico. Questo dimostra come oggetti più piccoli (come una luna, un pianeta o la luce) siano influenzati dalla gravità di corpi più grandi (come la Terra, il Sole o un buco nero) quando si avvicinano abbastanza.

Metodo alternativo: puoi simulare un buco nero più massiccio posiziona una biglia al centro del tessuto, afferrala con due dita facendo passare il braccio al di sotto del hula-hoop e infine tira verso il basso.

Questo crea una curvatura più profonda, rappresentando un buco nero ancora più massiccio.

Nota: questo è un ottimo momento per coinvolgere attivamente i partecipanti. Falli alternare nel posizionare le palline e osservare come si muovono. Incoraggia la sperimentazione: fai provare diverse combinazioni e osserva come il moto cambia a seconda della massa e della posizione. Mentre esplorano, continua a spiegare gli effetti gravitazionali e il loro legame con i buchi neri.

 

Simula l’immagine del buco nero del 2019 usando i colori
Per ricreare la famosa immagine del buco nero catturata nel 2019 (Figura 5) dall’Event Horizon Telescope, puoi introdurre il colore nell’attività.

Figura 5: Il buco nero al centro di M87, una galassia situata nell’ammasso della Vergine.

Immergi alcune delle palline piccole nella tempera o in un colore liquido, poi posizionale sul tessuto teso. Spingile con una certa forza per metterle in movimento. Mentre si muovono attorno al “buco nero” centrale (la palla pesante), lasceranno delle scie curve di vernice che imitano i percorsi gravitazionali della luce o della materia attorno a un vero buco nero. Ripeti il procedimento più volte; sia tu che i partecipanti potete alternarvi. Con il tempo, le scie sovrapposte formeranno un disegno (Figura 6) ad anello simile all’iconico bagliore visto nell’immagine del 2019 del Telescopio Event Horizon.

Figura 6: Le scie di colore lasciate dalle biglie orbitando attorno al buco nero centrale.

 

 

Descrizione del processo fisico

Un buco nero è una regione dello spazio in cui la gravità è così forte che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Questo avviene quando una quantità enorme di materia è compressa in una zona estremamente piccola, di solito dopo il collasso di una stella massiccia alla fine della sua vita, quando ha esaurito il suo combustibile nucleare. Per comprendere quanto estrema sia questa compressione, immagina l’intera Terra schiacciata in una sfera grande quanto una biglia: circa 1,75 cm di diametro. Questo trasformerebbe la Terra in un buco nero.

Secondo la relatività generale di Einstein, la massa piega il tessuto dello spaziotempo. Un buco nero curva lo spaziotempo così tanto da creare una sorta di “pozzo” senza fondo. Una volta che qualcosa attraversa l’orizzonte degli eventi (il confine del buco nero), non può più uscirne; nemmeno la luce. Anche la luce, che viaggia alla velocità più alta dell’universo, è influenzata. Avvicinandosi a un buco nero, il suo percorso si curva a causa della deformazione dello spaziotempo. Se si avvicina troppo, inizia a spiraleggiare verso l’interno, oltrepassando l’orizzonte degli eventi. Quest’ultimo non è solido: è un confine teorico nello spazio. Nello spazio tridimensionale, l’orizzonte degli eventi di un buco nero è una sfera. Per renderlo più comprensibile, se riduciamo lo spazio da 3D a 2D, l’orizzonte diventa un cerchio (o anello), e non possiamo vedere cosa c’è dentro.

 

Questa attività può essere usata anche per spiegare le orbite dei pianeti attorno al Sole o i movimenti in sistemi binari o multipli, perché il concetto fondamentale che dimostra come la gravità piega lo spaziotempo vale per tutti gli oggetti soggetti a forze gravitazionali, non solo per i buchi neri.



Un modellino di carta

È possibile svolgere l’attività e mostrare la curvatura dello spazio-tempo anche utilizzando un cartoncino invece del tessuto: sarà sufficiente ritagliare un cerchio al quale andrà poi rimosso uno spicchio (Figura 7).

Figura 7: Il cerchio di cartoncino (sinistra) a cui è stato rimosso uno spicchio (destra).

Unendo le due estremità si ottiene il modellino desiderato (Figura 8).

Figura 8: La curvatura dello spazio-tempo nel modellino in cartone.

In Figura 9 è presente un template da poter stampare e ritagliare seguendo le linee tratteggiate, per visualizzare la curvatura dello spazio-tempo senza usare il tessuto.

Figura 9: Il template da stampare e ritagliare.