Star dei film di fantascienza (e in effetti tecnicamente sono stelle morte) affascinano tutti ma nessuno ancora ha capito veramente cosa sono davvero.
Chi ha inventato il nome “buco nero”?
Questo fortunato binomio è stato partorito da quella mente geniale del fisico americano John Wheeler (se volete capire qualcosa della relatività speciale di Einstein leggetevi il suo libro a riguardo, ma niente paura, è algebra da liceo, niente formule incomprensibili) quando ancora, negli anni ’60 del secolo scorso, si discuteva sulla loro eventuale esistenza. Infatti il concetto di buco nero deriva da una particolare soluzione dell’equazione di campo di Einstein (quella che descrive la relatività generale per intenderci) trovata nel 1916 dal fisico tedesco Karl Schwarzschild (che morì di lì a poco per un’infezione presa sul fronte orientale durante la Grande Guerra).
In pratica questa soluzione prevedeva l’esistenza di un oggetto sferico con un’attrazione gravitazionale enorme che, tra le altre cose, aveva anche la proprietà di non riflettere la luce né di poterla emettere. Allora si penso di chiamare la cosa misteriosa “stella nera”, un nome molto più da Guerre Stellari che da fisici. Però non convinceva tanto, perché tutto poteva rappresentare meno che una stella.
Difatti altra caratteristica che emergeva dalla matematica relativa a questo oggetto era il comportamento tipo pozzo-senza-fondo su ciò che vi poteva finire dentro, insomma un pertugio cosmico in cui la materia poteva cadere dentro ma non uscirvi. Da qui l’intuizione di chiamarlo semplicemente “buco” da parte di Wheeler.
Dove si trovano i buchi neri?
In natura ne esistono di parecchi tipi. Alcuni si formano dal collasso di stelle molto massicce, almeno otto volte il Sole, dopo un’immane esplosione conosciuta come supernova. Altri, la cui origine è ancora oggetto di studio, risiedono nel cuore delle galassie. Se volete trovare un buco nero molto grande cercatelo qui.
Nel centro della nostra galassia, per esempio, si è calcolato che ce n’è uno che ha la massa di quattro milioni quella del Sole e avrebbe un diametro pari alla distanza che separa la Terra dalla nostra stella.
Ma nella vicina galassia di Andromeda, sebbene sia considerata quasi gemella della nostra, le cose si fanno più spettacolari: nel centro di essa c’è infatti un buco nero di cento milioni di masse solari e largo quanto il diametro di tutto il Sistema Solare.
Gli astrofisici ritengono che ogni galassia abbia al suo interno uno di questi mostri, oltre che a svariati buchi neri più piccoli che si formano dall’evoluzione stellare.
Ma i buchi neri si vedono?
In effetti un oggetto che non emette luce né altra forma di radiazione elettromagnetica come può essere osservato? Fino alla seconda metà del XX secolo molti scienziati non credevano all’esistenza dei buchi neri, ritenuti solo un’esotica soluzione delle equazioni di Einstein. Le cose cambiarono quando la tecnologia degli strumenti osservativi permise di scrutare in varie lunghezze d’onda il cosmo.
Molte stelle hanno una compagna, sono cioè sistemi astrali doppi: se una di loro diventa un buco nero succedono strane cose. La grande forza di attrazione del buco nero strappa infatti gli strati più esterni di gas della stella compagna, i quali precipitano verso di lui in un moto a spirale dove raggiungono velocità prossime a quelle della luce.
Gli atomi eccitati del gas a quelle velocità si scaldano ed emettono intense radiazioni soprattutto nei raggi X: ecco che rilevando queste emissioni si può dunque individuare il buco nero, anche se l’oggetto in sé rimane oscuro.
E dal 2015, grazie agli strumenti che captano le onde gravitazionali, si possono anche “sentire”. Quando due buchi neri molto vicini si fondono tra di loro, infatti, ne generano un altro di massa un po’ più piccola della somma dei due. La massa mancante si è trasformata in energia che si propaga con le onde gravitazionali nel cosmo, fino a giungere ai rivelatori sulla Terra.
Quanto sono grandi i buchi neri?
Tutto dipende dalla massa inziale della stella da cui si sono formati. Il perimetro del buco nero è costituito da una sfera, il cui raggio, detto di Schwarzschild, delimita il cosiddetto orizzonte degli eventi.
Si chiama così perché al di là di quello nulla esce più dal buco nero. La sua massa infatti incurva così tanto lo spazio-tempo che non è possibile uscire da questo pozzo senza fondo. Man mano che ci si avvicina all’orizzonte, inoltre, la forza di gravità sempre più forte rallenta anche il tempo, tanto che su di esso un orologio sarebbe praticamente fermo.
Se tutta la massa della Terra dovesse essere compressa a formare un buco nero il suo raggio di Schwarzschild sarebbe pari a quello di un pisello. Secondo alcune teorie cosmologiche esisterebbero anche buchi neri di dimensioni microscopiche: di temperatura molto elevata, questi sarebbero destinati a scomparire secondo un processo di evaporazione, tale per cui i buchi neri emettono una debole radiazione (detta di Hawking) che li consuma pian piano. Per quelli più massicci il tempo necessario sarebbe però molto superiore all’età dell’universo, per cui questo fenomeno non è quindi osservabile.
Cosa succederebbe a un astronauta se si potesse avvicinare a un buco nero?
Lo so, state pensando al film Interstellar, dove i cosmonauti passano oltre l’orizzonte degli eventi e vengono catapultati in un’altra galassia, oppure, nel caso del protagonista e del suo fedele robot, nel cuore della singolarità del buco nero dove scoprono i segreti che uniscono la fisica quantistica a quella einsteiniana sulla gravità.
In effetti proprio lì si ritiene possano verificarsi le condizioni per unire queste due branche della fisica inconciliabili nel resto dell’universo. Peccato che non possiamo andare a vedere. Attorno al buco nero c’è un’altra sfera che avvolge l’orizzonte degli eventi, chiamata ergosfera.
All’interno di questa la curvatura spaziotemporale aumenta sempre più ci sia avvicina all’orizzonte, ma consente ancora alla materia e alla luce di sfuggire al risucchio del buco nero, se hanno abbastanza energia da vincere la forza attrattiva. E per fare questo la luce, ossia la radiazione elettromagnetica, deve essere composta da fotoni molto energetici, come quelli dei raggi X e gamma, che però una volta usciti dall’ergosfera, e avendo perso gran parte della loro energia in questo sforzo, diventano deboli onde radio.
Un astronauta vicino alla superficie di un buco nero, nell’ergosfera, sarebbe quindi incenerito da questa radiazione super energetica.
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