Attività didattica progettata da Ilaria Viale e Marco Dall’Amico durante il corso di dottorato “Designing innovative public engagement activities” tenuto all’Università di Padova nel 2022.

Box astrofisico:

L’obiettivo di questo laboratorio è far vedere ai bambini come gli astronomi osservano i buchi neri. In questa attività mostreremo l’effetto della gravità esercitata da diversi corpi in una piccola regione dello spaziotempo, riprodotto da un telo nero tenuto teso su un hula hop. Simuleremo la deformazione dello spaziotempo attraverso la deformazione del telo, dovuta alle diverse masse dei corpi utilizzati. Partiremo da corpi più leggeri per mostrare effetti gravitazionali più piccoli e aumenteremo via via le masse fino a mostrare la gravità estrema esercitata da un buco nero (massa più pesante). Infine, grazie all’aiuto delle tempere, mostreremo ai bambini come i buchi neri catturino la materia circostante riproducendo la famosa immagine del buco nero M87*. Il tutto è presentato come un’attività interattiva affinché i bambini sperimentino questi concetti in prima persona immedesimandosi nel lavoro dell’astronomo. 

Materiale:

  • Tempere ad acqua di colore Giallo/Arancio/Rosso 
  • Foto di M87 (colori, possibilmente A3)
  • Bicchieri di carta (riciclabile, ~30-50) 
  • Sacchi spazzatura (1-2 pacchi)
  • 2 x hula hoop (quelli da ginnastica ritmica sono perfetti)
  • Mollette a volontà, circa 40 (se clip fermacarte da ufficio, meglio)
  • Due teli elastici neri da 1m x 1m 
  • Una pallina pesante possibilmente di circa 800-1000 g, se piccola meglio (un pesetto può andare bene)
  • Una pallina di circa 300 g (una boccia da spiaggia può essere un esempio)
  • Biglie di vari colori e dimensioni
  • Scottex per far pulire le mani ai bambini
  • Forbici (opzionale)
  • Guanti usa e getta (1 pacco) (opzionale)

 

 

Preparazione dell’attività:

L’attività è pensata per due gruppi di circa 7-8 bambini. Ogni gruppo lavorerà in parallelo su un hula-hop seguendo le stesse indicazioni riportate di seguito.

  1. Stendere la tela nera sopra ognuno dei due hula hoop ed iniziare a fissarla con le mollette. Questo sarà il nostro universo, lo spazio. Se la tela è molto elastica, la si può tendere abbastanza, mentre se il tessuto è troppo rigido, si può lasciare un po’ di pancia sempre stando attenti però che non si formino delle grinze. 
  2. Preparare i grembiuli per i bambini (serviranno quando dovranno utilizzare la pittura per evitare che si sporchino): prendiamo i sacchi della spazzatura e facciamo un buco per la testa e due per le braccia.

Descrizione dell’attività:

Una volta che si ha costruito il nostro simulatore di universo con l’hula hop e il telo, possiamo far vedere ai bambini come masse diverse abbiano effetti differenti sul telo. Prendiamo biglie di dimensioni diverse e mostriamo loro come queste deformano il telo in maniera differente se lasciate ferme (le più pesanti provocheranno una deformazione maggiore) e come  si comportano se gliele facciamo lanciare. Possiamo anche utilizzare la biglia da 300 grammi come esempio del Sole, porla al centro e incitare i bambini a lanciare le biglie più leggere attorno ad essa in maniera tale che inizino ad orbitarci attorno.

Sostituiamo la biglia-Sole con la pallina più pesante (il nostro buco nero) e ripetiamo l’esperimento osservando che la deformazione del telo è maggiore e che di conseguenza gli effetti della gravità sulle altre biglie sono più intensi: le biglie cadono molto più velocemente dentro al buco nero. La gravità di un buco nero è talmente potente da catturare anche la luce. La luce che cade dentro ad un buco nero, non riesce più ad uscire e proprio per questo il buco nero è nero: non solo non emette luce ma la cattura.

Gli astronomi sono però riusciti a “fotografare” un buco nero. Per fotografare un oggetto che non emette luce hanno sfruttato il fatto che quando la materia cade del buco nero (nel caso di prima, le biglie che venivano lanciate, ovvero stelle, pianeti e asteroidi) emette radiazione. Per riprodurre questo esperimento, facciamo indossare ai bambini i grembiuli preparati in precedenza, consegnamo loro i bicchieri con la tempera e facciamogli intingere una biglia. Tenendo sempre la massa più pesante al centro del telo, facciamo ripetere i lanci ai bambini con le palline impregnate di pittura. Vedremo che queste lasceranno delle scie colorate lungo le loro traiettorie. Man mano che i bambini lanciano le biglie, il telo dovrebbe diventare sempre più colorato e dovrebbe formarsi un disegno a spirale attorno al buco nero. Questo è il disco di accrescimento attorno al buco nero, ed è ciò che gli astronomi hanno sfruttato per fare la prima foto del buco nero M87*.

Per concludere l’attività confrontiamo la foto originale fatta dagli astronomi con il disegno ottenuto con le tempere, e notiamo la somiglianza:

Il buco nero supermassiccio al centro di Messier 87. Crediti: The Event Horizon Telescope
Immagine del buco nero ottenuto dai bambini

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Descrizione processo fisico:

I buchi neri non emettono luce a causa della loro estrema gravità. Per osservarli, gli astronomi si avvalgono quindi della luce emessa dalla materia circostante al buco nero, che crea un contrasto con lo sfondo ed il buco nero stesso, permettendo quindi di osservare non direttamente il buco nero ma la sua ombra sulla luce circostante. Questa materia orbitante il buco nero è chiamata disco di accrescimento, ed è composta da gas caldo chiamato plasma. Il plasma ruota intorno al buco nero a diverse velocità, con gli strati più interni che ruotano ad una velocità maggiore rispetto a quelli più esterni (come i pianeti del Sistema Solare: Nettuno ruota più lentamente di Mercurio). Questa differenza di velocità fa sì che i diversi strati “striscino” l’uno sull’altro generando dell’attrito. A causa di questo attrito il plasma si scalda ed emette luce, che noi siamo in grado di osservare con i nostri telescopi. Con questa tecnica, gli astronomi dell’Event Horizon Telescope, sono riusciti per la prima volta nel 2019 ad osservare il buco nero supermassiccio al centro della galassia M87, a circa 52 milioni di anni luce dalla terra. La foto è stata ricavata grazie all’osservazione di diversi radio-telescopi sparsi per tutto il mondo, ed è riportata qua sotto. Nella foto, il disco attorno al buco nero appare più luminoso da un lato a causa della sua orientazione rispetto alla terra. Il lato più luminoso del disco, è quello che ruota verso la terra, mentre il lato più scuro è quello che ruota nella direzione opposta. Questo fa sì che la luce emessa dal lato che ruota verso di noi appaia più intensa.