I buchi neri sono le regioni dello spazio nelle quali l’interazione gravitazionale è così grande che qualsiasi cosa giunga nelle sue vicinanze, viene attratta e irrimediabilmente catturata e nulla, dall’interno del suo confine, può più allontanarsene. Poiché dalla zona che attornia un buco nero nulla sfugge alla fatale attrazione della gravità, nessun segnale può pervenirci da esso: il buco nero è per sua stessa natura invisibile. Raramente un termine scientifico è stato in grado di esprimere chiaramente il fenomeno che descrive come in questo caso: un buco nero è semplicemente… un buco nero.
Forse il grande successo popolare di questo termine è da ricercare proprio nella sua immediatezza. Il merito di avere proposto questa denominazione si deve ad uno dei grandi fisici del ‘900, l’americano John A. Wheeler , che riutilizzò un termine in uso fino alla fine del 1800 nell’esercito inglese per indicare le… celle punitive di isolamento assoluto, l’ultima prigione.
Come si forma un buco nero ?
Guardando il Sole che sorge nel cielo con tutta la sua potenza non pensiamo mai al momento in cui, esaurito il suo combustibile nucleare, andrà progressivamente spegnendosi. Ma questo è il destino di tutte le stelle. Nelle stelle è proprio l’attività nucleare che, mentre mantiene acceso il loro “fuoco”, si oppone anche alla forza di gravità che tenderebbe a concentrare tutta la materia dell’astro in un volume piccolissimo. Quando una stella “muore” non c’è più alcuna forza capace di opporsi alla gravitazione che fa progressivamente addensare tutta la materia dell’astro verso il suo centro.
A seconda della massa della stella originaria si hanno vari stati finali di evoluzione. Nel caso di stelle con massa superiore a tre volte la massa del nostro Sole, la gravitazione prevale senza più arrestarsi, tutto il materiale si comprime e la concentrazione nella regione centrale cresce enormemente. Le densità che si raggiungono sono per noi inconcepibili: in queste condizioni un cucchiaio di materia addensata pesa addirittura più di 10 miliardi di tonnellate! Entro una certa distanza attorno alla stella originaria ogni cosa, inclusa la luce, viene attratta e “inghiottita”. Si è formato un buco nero!
Chi ha scopertoi buchi neri?
Nel 1796 l’astronomo francese Pierre Simon Laplace immaginò che potessero esistere “corpi oscuri” la cui tremenda forza di gravità impediva alla loro stessa luce di raggiungerci. Anche lo studioso inglese John Michtell, qualche anno prima (esattamente nel 1783), aveva ipotizzato un tale fenomeno, ma a quel tempo si trattava in entrambi i casi solo di ipotesi fantasiose.
È Albert Einstein che con la teoria della relatività generale, “consente” ai buchi neri di esistere. La relatività generale ci dice infatti che attorno ad ogni oggetto materiale lo spazio si curva. Facciamo un esempio considerando uno spazio a due dimensioni: quello di un telo elastico teso ai suoi estremi. In assenza di oggetti sulla sua superficie il telo è perfettamente piano, le linee tracciate con una squadra sono rette e formano fra loro angoli di 90 gradi. Supponiamo ora di poggiare su questo telo elastico una palla pesante.
Il telo si curverà e le righe che avevamo tracciato seguiranno un percorso che sarà tanto più curvo (geometria non euclidea) quanto più le righe stessa saranno vicine alla palla.
Le linee più lontane ci appariranno ancora rette e il telo a grande distanza dalla palla sarà ancora piano. L’esempio in due dimensioni ci fa intuire come agisca la gravità nello spazio tridimensionale. La curvatura dello spazio determina il moto dei pianeti attorno al nostro Sole. Un esempio dell’effetto di una massa (il Sole) sull’orbita un pianeta (Mercurio) può essere visto cliccando. Immaginiamo di comprimere il corpo che determina la curvatura del foglio, mantenendo uguale la sua massa: il foglio si curverà in una zona più ristretta, ma la profondità della deformazione crescerà.
La presenza della massa concentrata influenzerà meno gli oggetti lontani poiché il raggio della depressione si è ridotto, ma ogni oggetto posto in vicinanza sarà irrimediabilmente “catturato”. Se in una piccola regione di spazio la concentrazione di massa cresce molto, lo spazio si curva su se stesso tanto da isolare questa zona dalle zone continue.
Questo accade quando una stella di massa relativamente grande (quelle di massa inferiore a tre masse solari non diventano infatti buchi neri) esaurisce il suo carburante nucleare. Tutta la sua massa si contrae entro un raggio, detto critico. All’interno del raggio critico il campo gravitazionale diventa così intenso che la luce emessa viene piegata all’interno e non può evadere.
Attorno alla posizione occupata una volta dalla stella c’è ora una zona di non-ritorno, chiamata orizzonte degli eventi, dalla quale nulla può uscire.
Ogni corpuscolo materiale, ogni forma di energia (ricordiamo la famosa relazione E=mc2; per cui materia ed energia sono equivalenti) che penetrano nella regione delimitata dall’orizzonte degli eventi sono catturati da questo famelico oggetto. Un ipotetico pianeta che si trovasse vicino ad un buco nero di massa simile a quella del Sole, ad una distanza di sicurezza, gli orbiterebbe intorno proprio come fa la Terra con il Sole. Se però la distanza di sicurezza dovesse diminuire fino all’ orizzonte degli eventi allora il pianeta sarebbe risucchiato dal buco nero e noi non potremmo più sapere che fine abbia fatto, perché non potremmo più osservarlo.
L’uomo che vide i buchi neri
Nessun segnale ci può provenire dai buchi neri. Incapaci di comunicare con l’esterno, sembrerebbero quindi destinati a restare per sempre affascinanti ipotesi di una teoria, inaccessibili ad ogni conferma sperimentale. Ma non è così. I buchi neri sono uno dei quei casi in cui la teoria è stata sviluppata in dettaglio prima che le osservazioni abbiano fornirto una prova certa della sua correttezza. Ma come è stato possibile osservare sperimentalmente i buchi neri se questi oggetti non emettono alcun tipo di luce o radiazione?
Un modo c’è.
Quando un buco nero ruota attorno ad un astro visibile, l’orbita della stella visibile risente della presenza del compagno oscuro (già Laplace lo aveva pensato quando ipotizzava i suoi “corpi oscuri”). Astronomi e astrofisici negli ultimi decenni hanno identificato molti sistemi binari nei quali uno dei componenti non è visibile; questo però non basta ad assicurarci che si tratti di veri buchi neri. Nel caso di un buco nero la teoria prevede che materia gassosa della stella visibile sia “risucchiata“ dal corpo celeste invisibile.
Questo gas accelerato forma una grande spirale che termina nel buco nero come l’acqua di un lavandino che si vuota finisce, ruotando, nel buco di scarico. In questo processo il gas si riscalda a migliaia di gradi e, prima di scomparire oltre la linea dell’orizzonte, emette raggi X.
Fu l’astronomo canadese C.T. Bolt dell’Università di Toronto che, studiando la compagna invisibile della stella denominata HDE226868 nella costellazione del Cigno , trovò per primo una emissione di raggi X con le caratteristiche previste dalla teoria dei buchi neri. Il diametro dell’orizzonte degli eventi era di circa 30 chilometri: questo valore indica una massa del buco nero di circa 5 volte quella del nostro Sole. Alcuni teorici fecero notare però che altri fenomeni meno drammatici (stelle di neutroni, quasar) avrebbero potuto essere all’origine di quanto osservato.
Ma altre osservazioni si sono succedute e consolidate. Nel 1988 il grande astrofisico Hawking scriveva: “.. nel 1975 eravamo certi all’80% che la sorgente di raggi X del Cigno fosse un buco nero. Ora nel 1988 direi che siamo sicuri al 95%”. Oggi (nel 2003) l’esistenza di buchi neri ha accumulato ormai molti dati a favore. Nuove analisi hanno confermato che le osservazioni sono in accordo perfetto con le previsioni della teoria. Si sono aggiunti molti altri corpi celesti nella lista dei buchi neri grazie anche alle osservazioni rese possibili del telescopio spaziale Hubble . La domanda non è più se i buchi neri esistono o meno; la domanda è “quanti buchi neri ci sono nell’universo?”. Gli astrofisici ritengono ormai che il loro numero possa anche essere superiore a quello delle stelle visibili!
Nel 1975 Stephen Hawking si domandò se potesse esistere un buco nero di massa molto piccola, tanto piccola da essere contenuto in dimensioni sub-nucleari. Cosa succede se un buco nero ha le dimensioni di un protone o di un neutrone? In questo caso oltre alle leggi della gravitazione entrano in gioco anche quelle della meccanica quantistica con effetti -come vedremo- sorprendenti. Il diametro dell’orizzonte degli eventi di un buco nero è proporzionale alla sua massa. Un buco nero di massa 5 volte la massa del nostro Sole ha un diametro di circa 30 km, quello di 10 volte la massa del Sole ha 60 km di diametro, quello di 100 volte ha 600 km di diametro. Non c’è limite superiore all’ estensione di un buco nero.
Stelle con massa 100 milioni di volte quella del nostro Sole possono dare origine a buchi neri con orizzonte degli eventi uguale a quelle del nostro intero sistema solare cioè con orizzonte degli eventi di circa un miliardo di chilometri. Esiste invece un limite inferiore alla massa di una stella che può evolvere in un buco nero ed è quello di 3 masse solari. Un buco nero delle dimensioni di un protone (10-15 metri ) corrisponderebbe ad una massa molto più piccola: circa un miliardo di tonnellate, la massa cioè di una montagna sulla terra o quella di un piccolo asteroide.
Questo tipo di buchi neri non potrebbe quindi formarsi dal collasso di una stella. Hawking ha però dimostrato che buchi neri di così piccola massa e dimensioni avrebbero potuto formarsi in condizioni particolari nella primissima fase della evoluzione dell’universo. Se realmente esistessero, sarebbe possibile identificare questi buchi neri primordiali? Strano a dirsi, diversamente dai buchi neri originati dalle stelle morenti, questi buchi neri, sviluppatisi quando l’universo era bambino, emetterebbero radiazione.
Come è possibile se sappiamo che nulla può evadere dall’orizzonte degli eventi? La risposta viene dalla meccanica quantistica: le particelle emesse non provengono dall’interno del buco nero ma dal vuoto quantico. Abbiamo già incontrato il vuoto quantico nel descrivere l’effetto Casimir e ad esso ScienzaPerTutti dedicherà presto un percorso di approfondimento. Per il momento ci basti sapere che il vuoto quantico può essere immaginato come un mare composto da tutte le particelle elementari e dalle loro antiparticelle. Coppie virtuali di particella-antiparticella (elettrone-positrone, quark-antiquark, coppie di fotoni o gravitoni – fotoni e gravitoni sono antiparticelle di se stesse -) si materializzano dal vuoto quantico e subito si annichilano tra loro.
Immaginiamo ora cosa può accedere sulla superficie dell’orizzonte degli eventi di uno di questi buchi neri. Tra le tante coppie virtuali create e riassorbite dal vuoto quantico potrà accadere che, in qualche caso, una della particelle della coppia prima di annichilirsi con la sua compagna, sia attratta dalla forza gravitazionale dentro il buco nero, mentre l’altra se ne allontana. Le due particelle sono ora reali, una è irrimediabilmente catturata, l’altra ci apparirà “emessa” dal buco nero. Questo processo quantistico produce quindi una radiazione che viene emessa sulla linea dell’orizzonte degli eventi.
Mentre i buchi neri originati dal collasso delle stelle sono la forma finale dell’evoluzione dell’astro e una volta formati dovrebbero esistere per sempre, questi buchi neri primordiali emettendo la “radiazione di Hawking“ si esauriscono in una lenta evaporazione che si conclude con una drammatica esplosione. Fino ad oggi, nessuna esplosione di buchi neri primordiali alla Hawking è stata osservata.