Esistono regioni dell’universo che manifestano un’attrazione gravitazionale cosi intensa da intrappolare qualsiasi forma di materia e radiazione al loro interno, queste regioni particolari e lontane dalla nostra esperienza quotidiana sono state chiamate qualche decennio fa buchi neri.
A CHI DOBBIAMO LA SCOPERTA DEI BUCHI NERI?
Nel 1916, il fisico e astronomo tedesco Karl Schwarzschild (il cui nome Schwarz-schild significa scudo nero) utilizzò le equazioni della Relatività Generale di Einstein per calcolare la geometria dello spazio-tempo intorno a una massa sferica. Scoprì che, se la sfera in cui la massa è concentrata ha un raggio minore di un certo valore, nessuna informazione, né particelle né fotoni, sono in grado di raggiungere un osservatore esterno perché la velocità di fuga per sfuggire all‘attrazione gravitazionale risulta maggiore della velocità della luce.
Quella sfera rappresenta l’orizzonte degli eventi, la superficie limite oltre la quale nessun evento può influenzare un osservatore esterno e la massa all’interno è un oggetto che nel 1964 il fisico americano J. Wheeler, definì buco nero.
All’epoca di Einstein e Schwarzschild i buchi neri erano considerati una soluzione matematica delle equazioni delle Relatività generale. La soluzione assunse concretezza nel 1939, quando Tolman, Oppenheimer e Volkoff dimostrarono che una stella alla fine della sua evoluzione subisce un collasso dovuto all’attrazione gravitazionale.
Se la massa della stella è superiore a tre masse solari, essa si comprime a tal punto da trasformarsi in un buco nero.
Alla fine degli anni ’30, apparve chiaro che nel cosmo potevano formarsi i buchi neri quando il fisico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar scoprì che al di sopra di una certa densità, nessuna forza può impedire all’attrazione gravitazionale di far collassare una massa. Tuttavia, i buchi neri possono formarsi solo in condizioni estreme.
COME NASCONO I BUCHI NERI?
Le stelle producono luce e calore grazie all’energia prodotta dai loro nuclei dove avviene un processo chiamato fusione nucleare. Nel nucleo incandescente di una stella, due atomi leggeri si fondono per formare un atomo più pesante, un processo che emette enormi quantità di energia.
Durante l’evoluzione della stella gli atomi ottenuti dalla fusione di nuclei più leggeri vengono indotti a subire lo stesso processo sintetizzando atomi ancora più più pesanti permettendo alla stella di produrre luce e calore. Quando una stella ha una massa otto volte maggiore del Sole, verso la fine della sua evoluzione, fondono nuclei di elementi molto pesanti come il silicio e il magnesio. la fusione di questi elementi porta alla produzione del ferro.
Tuttavia, la fusione del ferro necessita di più energia di quanta la reazione stessa ne produca, quindi a quel punto nulla può opporsi all’attrazione gravitazionale della massa della stella. Questa compressione è così la intensa che stella collassa verso ilo centro. A quel punto la stella viene compressa oltre il raggio di Schwarzschild, diventando un buco nero.
Non c’è forza nota capace di arrestare il collasso di una stella massiccia, una volta che un buco nero si forma, continua a comprimersi fino a diventare una singolarità, un punto di densità infinita. Intorno alla singolarità c’è l’orizzonte degli eventi, un invisibile confine sferico che delimita il buco nero.
Se materia o radiazioni attraversano l’orizzonte degli eventi, non potranno percorrere la loro traiettoria in senso inverso. Per sfuggire alla forza gravitazionale di un buco nero si dovrebbe viaggiare più velocemente della velocità della luce, e poiché nello spaziotempo nulla può superare la velocità della velocità della luce, la materia o le radiazioni oltre quel confine sono condannate a precipitare verso la singolarità.
L’attrazione gravitazionale di un buco nero
I buchi neri al loro interno contengono la massa della stella che li ha originati compressa in una singolarità di dimensioni infinitamente piccole. L’attrazione gravitazionale prodotta dalla massa raccolta nella singolarità attrae qualsiasi cosa nei paraggi verso di essa.
Non importa la direzione che si percorre o la resistenza che si oppone al buco nero, qualsiasi oggetto vi cadrà all’interno in un tempo finito. Tuttavia i fisici non sanno cosa succede alla singolarità. È un ambiente estremo dove le leggi fisiche conosciute non hanno valore.
I BUCHI NERI SONO REALI?
Anche se non sappiamo cosa avviene nelle zone più inaccessibili di un buco nero, sappiamo con relativa certezza che sono reali.
La prima prova della loro esistenza è giuntata dopo la scoperta di Cygnus X-1, una sorgente di raggi X posta a circa 6.000 anni luce di distanza. Le osservazioni di quell’oggetto hanno rivelato la presenza di un oggetto piccolo e denso, un buco nero. Gli astronomi non possono rilevare direttamente il buco nero, ma, possono osservare il gas che cade al suo interno, che surriscaldandosi emette raggi X .
Il buco nero nel sistema di Cygnus X-1 ha una massa circa 20 volte quella del Sole. Nella nostra galassia potrebbero esistere da tra 10 milioni e un miliardo di buchi neri. Il buco nero più vicino confermato è Cygnus X-1 a poco più di 6.000 anni luce di distanza.
Ma al centro della Via Lattea, la nostra galassia e al centro di quasi tutte le altre galassie note si trova un buco nero supermassiccio. I buchi neri supermassicci sono milioni di volte più massicci del Sole e alcuni possono contenere centinaia di miliardi di volte la massa di una stella cole il Sole.
COME SONO I BUCHI NERI?
I buchi neri, come detto più volte, sono “neri” in quanto non emettono nessun tipo di radiazione. Nonostante ciò gli astronomi possono ancora scoprirli sia attraverso gli effetti dell’attrazione gravitazionale che manifestano su altri oggetti sia attraverso la cattura della materia che durante la fase di caduta viene surriscaldata fino a diventare estremamente energetica e di conseguenza osservabile.
Alcuni buchi neri, in genere quelli supermassicci, possono essere rilevati dagli astronomi in quanto sono dei “quasar”. I quasar sono sorgenti radio molto energetiche. Quando la materia a causa dell’attrazione gravitazionale precipita su un buco nero, viene compressa e si riscalda. Il disco di accrescimento che circonda il buco nero può essere più luminoso dell’intera galassia che lo ospita ed è in grado di accelerare getti di particelle cariche, quasi alla velocità della luce, per decine di migliaia di anni luce.
Un altro metodo utilizzato per osservare i buchi neri è scoprire una loro fusione. Quando due buchi neri entrano in collisione, emettono onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo. Le onde gravitazionali sono incredibilmente deboli, ma strumenti sensibili appositamente progettati sono in grado di rilevarle. Ad oggi, gli astronomi hanno identificato 50 eventi di fusione di buchi neri.
Ma, in un certo senso, un buco nero è stato osservato. L’immagine è stata ottenuta nel 2019, quando gli astronomi hanno utilizzato il telescopio Event Horizon – una rete di parabole disseminate sulla Terra – per scattare un’immagine di un disco avvolto da materiale che vortica attorno a un nero buco chiamato M87 *.
M87 contiene 3 miliardi di volte la massa del Sole ed è situato in una galassia a oltre 50 milioni di anni luce di distanza. Poiché è impossibile scattare una foto al buco nero stesso, gli astronomi hanno realizzato un’immagine della sua “ombra”.
CADERE IN UN BUCO NERO
Fortunatamente i buchi neri sono molto distanti dalla Terra. Da lontano, i buchi neri si comportano come qualsiasi altro oggetto massiccio presente nell’universo. Infatti, se si sostituisse il sole con un buco nero di pari massa, l’orbita della Terra rimarrebbe invariata.
Tuttavia in prossimità di un buco nero, l’attrazione gravitazionale è così intensa che un essere umano verrebbe allungato in un lungo e sottile filamento di particelle prima ancora di raggiungere l’orizzonte degli eventi, un destino terribile per lo sfortunato osservatore che subirebbe un fenomeno chiamato “spaghettificazione”.
