17 – Buchi Neri: i trofei della Gravità

La fase finale di una grande stella è l’esempio perfetto della vittoria schiacciante della gravità sugli altri concorrenti. Quando il resto di supernova è troppo massiccio, oltre a 3 masse solari, non può rimanere in equilibrio sotto forma di stella di neutroni. Il collasso del nucleo stellare diventa così inevitabile, inarrestabile, inesorabile…Il prodotto di questo collasso è un’entità difficile perfino da immaginare. Teorizzabile partendo dalla relatività generale, la loro esistenza sembrò assurda perfino al grande Einstein. E invece, i progressi della scienza hanno confermato che questi corpi estremi esistono davvero. Buco nero…un nome cupo, che evoca paura, quasi un senso apocalittico. Ma niente è cattivo nel cosmo, e niente esiste per caso. Quindi, con una predisposizione positiva, proviamo a guardarlo da vicino.

Indice

• Perchè li chiamiamo buchi neri?
• La velocità di fuga
• I segnali di vita del buco nero
• Com’è fatto un buco nero
• L’orizzonte degli eventi
• Il raggio di Schwarzschild
• La singolarità

Perché li chiamiamo buchi neri?

L’attrazione gravitazionale esercitata da questi oggetti è superiore a quella di qualsiasi altro corpo celeste. Poiché, secondo la Relatività, la gravità è la manifestazione della curvatura del tessuto spazio-tempo causata da una massa, i buchi neri sono come voragini scavate sulle strade del Cosmo. Sono buchi molto particolari, perché nulla che vi cade dentro può uscirne. Nulla, neppure la luce. Di fatti, anche le radiazioni elettromagnetiche, che trasportano l’informazione nell’Universo, rimangono intrappolate all’interno, rendendo il buco invisibile, perlomeno all’osservazione diretta. Ecco perché il buco è nero.

Che la luce possa rimanere imprigionata dalla gravità può sembrare sorprendente, anche se facilmente comprensibile, se si pensa al concetto della velocità di fuga.

La velocità di fuga

Ogni stella, pianeta, e in generale qualsiasi corpo abbia massa, è caratterizzato da una “velocità di fuga”, cioè la velocità che occorre imprimere a un oggetto affinché possa uscire dal campo gravitazionale del corpo stesso.  Essa dipende quindi dall’attrazione gravitazionale che il corpo esercita, che come sappiamo è determinata dalla massa e dalla densità.

Sulla superficie terrestre, questo valore è di poco più di 11 km/s. In pratica, se lancio una palla in aria, essa ricade subito al suolo perché la velocità della palla è ovviamente inferiore a 11 km/s. Per questo motivo occorrono razzi molto potenti per consentire alle navette spaziali e ai satelliti di entrare in orbita attorno alla terra, o di lasciarla per l’esplorazione del cosmo.

Sulla Luna, dove la gravità è meno forte e gli astronauti saltellano, la velocità necessaria per sfuggire è ovviamente minore (circa 2,3 km/s). Per allontanarsi dal nostro Sole, occorre viaggiare a circa 617 km/s.

Questi valori sono ancora immaginabili. Ma se consideriamo oggetti molto più massicci e soprattutto densi, le cose cambiano. Per Le densissime stelle di neutroni, che abbiamo appena incontrato, la velocità di fuga è attorno ai 100.000 km/s, cioè un terzo della velocità della luce.

Poiché il buco nero si forma con l’ulteriore compressione della massa di una stella di neutroni a densità ancora più elevate, la sua attrazione gravitazionale è superiore, elevando la velocità di fuga a oltre 300.000 km/s, la velocità della luce.

Ecco perché, una volta entrata nel campo gravitazionale di un buco nero, nemmeno la luce può tornare indietro. Il buco per questo non può irradiare luce.

I segnali di vita del buco nero

Mantenere un segreto è difficile, e questo vale anche per gli oggetti celesti, buchi neri compresi. Sebbene essi non consentano alla luce di raccontare della loro esistenza, allo stesso tempo producono effetti estremi su ciò che li circonda, fenomeni che possono essere osservati e studiati. Quando si parla dell’osservazione di un buco nero, quindi, in realtà ci si riferisce a rilevamenti indiretti.

La loro presenza può essere svelata, ad esempio, da stelle che appaiono muoversi a velocità elevatissime, indicando la presenza di una enorme massa al centro della loro orbita. Quando non è possibile osservare l’oggetto che costituisce questa massa, ciò suggerisce che la stella è in rivoluzione attorno a un buco nero. Altre “spie” sono i segnali che ci manda la materia circostante il buco nero. Stelle, pianeti, gas, catturati da un campo gravitazionale così intenso, iniziano a girargli vorticosamente intorno, nella forma di un disco piatto detto “disco di accrescimento”. Nel suo moto vertiginoso, la materia del disco si scontra e si riscalda, perdendo energia sotto forma di radiazione, anche X e gamma. Qualcuno le definisce “grida d’aiuto” della materia che sta per essere fagocitata, ma chissà, forse sono urla di eccitazione, come quando si sta per scendere in picchiata sulle montagne russe. In ogni caso, questi segnali consentono di individuare un buco nero, e perfino di conoscerne le caratteristiche. Ad esempio, studiando il moto delle stelle nel disco di accrescimento è possibile calcolare la massa dell’oggetto invisibile attorno a cui la stella sta orbitando.

I buchi neri vengono scovati anche grazie al fenomeno detto “lente gravitazionale”. Se osserviamo una stella, o una galassia, la cui luce per raggiungerci ha attraversato una regione dello spazio fortemente curvata, l’immagine dell’oggetto ci appare distorta, come se fosse passata attraverso una lente. Anche studiando le immagini che provengono dal cosmo, quindi, è possibile stanare un buco nero.

Come è fatto un buco nero

Se pensiamo al buco nero come a una “sfera virtuale”, possiamo distinguere una superficie, un raggio e un centro.

L’orizzonte degli eventi

La superficie di questa immaginaria sfera è il confine esterno che delimita il “punto di non ritorno” del buco nero. Si tratta di una superficie virtuale, in quanto non è costituita da materia o energia, ma è una regione dello spazio determinata dalle leggi fisiche della gravità e viene chiamata con un nome suggestivo, “orizzonte degli eventi”. Come abbiamo detto, una volta varcata questa soglia, gli eventi rimangono inconoscibili a chi resta fuori. Oltre questa soglia, inizia il mistero. Non significa che niente accade all’interno, anzi, tutt’altro! Ma di qualsiasi evento, dall’esterno non si potrà avere notizie; non si può estendere la nostra osservazione al di là di questo orizzonte.

Il raggio di Schwarzschild

Il raggio dell’orizzonte degli eventi di un buco nero è chiamato raggio di Schwarzschild, in nome dello scienziato che lo calcolò, ed è la dimensione entro la quale una massa deve essere rinchiusa per dar luogo ad un buco nero. Il suo valore ovviamente dipende dalla massa di cui è costituito il buco nero ed è intuibile che più grande sarà la massa, più esteso sarà il raggio. In altre parole, maggiore è la massa, più ampio è il “Regno” su cui domina il buco nero. Questo è un aspetto fondamentale, perché anche tra potenti esistono delle gerarchie. In questo capitolo stiamo parlando dei buchi neri generati dal collasso di una stella, ma, come vedremo in seguito, ce ne sono di molte altre tipologie.

Calcolare il raggio che deve avere un buco nero con una data massa è molto semplice per gli scienziati. Esiste infatti una banale formula che mette in relazione la velocità di fuga, la massa e il raggio di qualsiasi oggetto. Poiché la velocità di fuga di un buco nero è nota, è sempre uguale alla velocità della luce “c”, inserendo il valore di una massa si otterrà facilmente il valore del raggio che delimita l’orizzonte degli eventi dell’oggetto.

La singolarità

Servirebbero lunghi capitoli per affrontare questo argomento, e sicuramente autori ben più preparati della sottoscritta. Il dato di fatto, però, è che oltre le previsioni teoriche, nessuno sa con certezza cosa accada oltre l’orizzonte degli eventi, appunto perché nessuno è mai tornato da quel luogo, e le leggi della fisica che conosciamo non sono sufficienti a descrivere accuratamente il destino di ciò che ha la sventura di esservi capitato dentro. Sarà poi adeguato parlare di “sventura”? Come possiamo giudicare ciò che non conosciamo? Certo, è impensabile che chiunque superi la superficie di un buco nero rimanga se stesso, e non subisca una sostanziale trasformazione… Ma cosa avvenga davvero può solo essere predetto, in modo approssimativo, dalle nostre teorie. Ricordiamo che il buco nero si è formato perché una enorme massa ha ceduto completamente al proprio peso. Questa massa dovrà trovarsi al centro della sfera, un nucleo teoricamente a densità infinita concentrato in un solo punto, la singolarità.

Singolarità è un termine preso in prestito dalla matematica, in cui indica un punto in cui un dato oggetto matematico non è definito; un punto in cui l’oggetto matematico comincia a possedere proprietà devianti, irregolari o controintuitive, che lo distinguono da ciò che è tipico della stessa categoria.

Come ci si possa sentire nella singolarità non è facile da descrivere, nemmeno in teoria. E’ chiaro però che qui tutte le differenze vengano annullate. Non importa cosa eravamo prima di arrivare…stella, asteroide, luce…nella singolarità si è tutti uguali. Si esiste tutti nello stesso luogo, dove la curvatura dello spazio-tempo porta a una inversione di ruoli delle dimensioni. Ciò che prima era una dimensione spaziale fissa, adesso scorre verso il centro del buco nero, mentre il tempo, che prima scorreva, si ferma e si comporta come una dimensione spaziale. In qualche modo, questo ricorda le condizioni che potrebbero essersi verificate al momento del Big Bang, quando la singolarità era l’intero Universo concentrato in un solo punto, prima di sbocciare con il Grande Botto.

Dalla singolarità derivano il potere e il fascino del buco nero, tra miti, realtà e possibilità. Esistono tanti aspetti peculiari di questi fenomenali corpi celesti che possono stuzzicare il nostro interesse, senza doverci addentrare in complessi modelli matematici. A questi spunti dedicheremo il prossimo Capitolo della nostra narrazione.