Questa idea sorprendente fu annunciata per la prima volta nel 1783 da John Michell, un parroco di campagna inglese. Sebbene fosse uno degli scienziati più brillanti e originali del suo tempo, Michell rimane oggi praticamente sconosciuto, in parte perché ha fatto poco per sviluppare e promuovere le sue idee pionieristiche.
Chi è John Michell?
Michell nacque nel 1724 e studiò all’Università di Cambridge, dove in seguito insegnò ebraico, greco, matematica e geologia. Non esiste un ritratto di Michell, ma è stato descritto come “un ometto basso, di carnagione nera e grasso”. Divenne rettore di Thornhill, vicino a Leeds, dove svolse la maggior parte del suo importante lavoro. Michell aveva numerosi visitatori scientifici a Leeds, tra cui Benjamin Franklin, il chimico Joseph Priestley (che scoprì l’ossigeno), e il fisico Henry Cavendish (che scoprì l’idrogeno).
La gamma dei suoi risultati scientifici è impressionante. Nel 1750, Michell dimostrò che la forza magnetica esercitata da ciascun polo di un magnete diminuisce con il quadrato della distanza. Dopo il catastrofico terremoto di Lisbona del 1755, scrisse un libro che contribuì a stabilire la sismologia come scienza. Michell ha suggerito che i terremoti si diffondono come onde attraverso la Terra solida e sono correlati agli offset negli strati geologici ora chiamati faglie. Questo lavoro gli valse l’elezione nel 1760 alla Royal Society, un’organizzazione di eminenti scienziati.
Michell concepì l’esperimento e costruì l’apparato per misurare la forza di gravità tra due oggetti di massa nota. Cavendish, che ha effettivamente effettuato l’esperimento dopo la morte di Michell, gli diede pieno merito dell’idea. La misurazione ha prodotto una quantità fisica fondamentale chiamata costante gravitazionale, che calibra la forza assoluta della forza di gravità ovunque nell’universo. Utilizzando il valore misurato della costante, Cavendish è stato in grado per la prima volta di calcolare la massa e la densità media della Terra.
Michell fu anche il primo ad applicare la nuova matematica della statistica all’astronomia. Studiando come le stelle sono distribuite nel cielo, ha mostrato che molte più stelle appaiono come coppie o gruppi di quante potrebbero essere spiegate da allineamenti casuali. Sosteneva che si trattasse di veri e propri sistemi di stelle doppie o multiple legate insieme dalla loro gravità reciproca. Questa è stata la prima prova dell’esistenza di associazioni fisiche di stelle.
Ma forse il risultato più lungimirante di Michell è stato immaginare l’esistenza dei buchi neri. L’idea gli venne nel 1783 mentre considerava un ipotetico metodo per determinare la massa di una stella. Michell accettò la teoria di Newton secondo cui la luce è costituita da piccole particelle materiali. Pensò che tali particelle, emergendo dalla superficie di una stella, avrebbero avuto la loro velocità ridotta dall’attrazione gravitazionale della stella, proprio come i proiettili sparati verso l’alto dalla Terra. Misurando la riduzione della velocità della luce da una data stella, pensò che sarebbe stato possibile calcolare la massa della stella.
Michell si chiese quanto potesse essere grande questo effetto. Sapeva che qualsiasi proiettile deve muoversi più velocemente di una certa velocità critica per sfuggire all’abbraccio gravitazionale di una stella. Questa “velocità di fuga” dipende solo dalle dimensioni e dalla massa della stella. Cosa accadrebbe se la gravità di una stella fosse così forte che la sua velocità di fuga superasse la velocità della luce?
Michell si rese conto che la luce avrebbe dovuto ricadere in superficie. Conosceva la velocità approssimativa della luce, che Ole Roemer aveva trovato nel secolo precedente. Quindi è stato facile calcolare che la velocità di fuga avrebbe superato la velocità della luce su una stella più di 500 volte la dimensione del Sole, assumendo la stessa densità media. La luce non può sfuggire a un tale corpo, che sarebbe quindi invisibile al mondo esterno. Oggi lo chiameremmo buco nero.
Michell ha ottenuto la risposta giusta, anche se si è sbagliato su un punto. Ora sappiamo, dalla teoria della relatività di Einstein del 1905, che la luce si muove nello spazio a una velocità costante, indipendentemente dalla forza di gravità locale. Quindi la proposta di Michell di trovare la massa di una stella misurando la velocità della sua luce non avrebbe funzionato. Ma aveva ragione nel sottolineare che qualsiasi oggetto deve essere invisibile se la sua velocità di fuga supera la velocità della luce. Questo concetto era così in anticipo sui tempi che fece poca impressione.
L’idea dei buchi neri fu riscoperta nel 1916, dopo che Einstein pubblicò la sua teoria della gravità. Karl Schwarzschild ha quindi risolto le equazioni di Einstein per il caso di un buco nero, che ha immaginato come un volume sferico di spazio deformato che circonda una massa concentrata e completamente invisibile al mondo esterno. Il lavoro di Robert Oppenheimer ha poi portato all’idea che un tale oggetto potrebbe essere formato dal collasso di una stella massiccia. Il termine “buco nero” è stato coniato nel 1968 dal fisico di Princeton John Wheeler, che elaborò ulteriori dettagli sulle proprietà di un buco nero.
I buchi neri più comuni sono probabilmente formati dal collasso di stelle massicce. Si pensa che i buchi neri più grandi siano formati dal collasso improvviso o dall’accrescimento graduale della massa di milioni o miliardi di stelle. La maggior parte delle galassie, inclusa la nostra Via Lattea, contiene probabilmente questi buchi neri supermassicci al centro.
La teoria astrofisica consente ai buchi neri di avere molte dimensioni e la dimensione di un buco nero è semplicemente proporzionale alla sua massa. Quindi, un buco nero con la massa della Terra sarebbe di circa un pollice di diametro, uno con la massa del Sole sarebbe di poche miglia, e uno con la massa totale della Via Lattea sarebbe di circa un anno luce. Più grande è un buco nero, minore è la sua densità media, ed è concepibile che il nostro intero universo osservabile sia un buco nero supermassiccio all’interno di un universo più grande.
Michell suggerì che si potrebbero rilevare buchi neri invisibili se alcuni di loro avessero stelle luminose che ruotano intorno a loro. In effetti, questo è un metodo utilizzato oggi dagli astronomi per dedurre l’esistenza dei buchi neri. Abbiamo osservato numerosi sistemi in cui la materia, che si tratti di nubi di gas o di intere stelle, si muove così velocemente che solo la massa concentrata di un buco nero potrebbe esserne responsabile.
Mentre i buchi neri influenzano fortemente lo spazio immediatamente circostante, l’idea che si comportino come aspirapolvere cosmici, spazzando via tutto nel quartiere, è un errore popolare. Se il Sole fosse in qualche modo collassato per formare un buco nero, il movimento orbitale dei pianeti non sarebbe influenzato. La massa centrale rimarrebbe la stessa, quindi i pianeti sentirebbero la stessa gravità di prima. Ciò che distingue un buco nero stellare è la sua dimensione molto piccola e l’alta densità. Ciò consente ad altri corpi di avvicinarsi molto al centro di massa, dove la gravità è estremamente intensa. Ma non aumenta la forza di gravità lontano dalla massa.
Quando John Michell concepì i buchi neri nel 1783, pochissimi scienziati al mondo erano mentalmente attrezzati per capire di cosa stesse parlando. Non sorprende che il concetto sia sprofondato nella completa oscurità per poi essere riscoperto nel ventesimo secolo.
