Continua, con questo articolo, la trattazione degli oggetti cosmici più affascinanti: verranno, infatti, analizzate le classificazioni dei buchi neri.
Nell’articolo della scorsa settimana sono state introdotte la definizione e la modalità in cui si forma un buco nero; oggi entreremo più nei dettagli, per comprendere quali sono i tipi dei buchi neri, quei corpi celesti dal fascino particolare che attrae da secoli la curiosità degli scienziati e anche degli appassionati di astrofisica, nella speranza di ottenere risposte sui grandi misteri dell’universo che ci circonda.
Le classificazioni dei buchi neri
Come è stato già chiarito nell’articolo precedente, un buco nero è un corpo celeste con un campo gravitazionale così intenso (ovvero, una regione dello spaziotempo con una curvatura talmente alta) che dal suo interno non può uscire nulla, nemmeno la luce, dato che la velocità di fuga è maggiore della velocità della luce.
Ma non tutti i buchi neri hanno le stesse caratteristiche, pertanto è opportuno distinguerli per poterli studiare nel miglior modo possibile.
È possibile adottare diversi criteri per classificare i buchi neri:
• In base alla massa.
• In base alla massa e altre proprietà fisiche.
• In base all’interazione con la materia circostante.
Classificazione dei buchi neri in base alla massa
In base alla massa i buchi neri possono distinguersi in:
- Buchi neri primordiali.
- Buchi neri di massa stellare.
- Buchi neri di massa intermedia.
- Buchi neri supermassicci.
Ognuno di questi tipi raggruppa diversi intervalli di massa, che spaziano da valori molto bassi fino a valori sempre più elevati. È però doveroso chiarire che tali intervalli sono approssimativi, al punto da mettere gli scienziati nelle condizioni di rivalutare costantemente dove debbano essere fissati i confini tra una categoria e l’altra.
I buchi neri primordiali
I buchi neri primordiali costituiscono una categoria ipotetica di corpi celesti: finora non vi è alcuna conferma osservativa diretta della loro esistenza.
Secondo una teoria formulata dagli scienziati, i buchi neri primordiali si sarebbero formati subito dopo la nascita dell’universo. In quell’istante, sacche di materiale caldo potrebbero essere state sufficientemente dense da collassare in buchi neri, con masse potenzialmente comprese tra frazioni di grammo e centinaia di migliaia di masse solari. Successivamente, con la rapida espansione e il raffreddamento dell’universo, le condizioni per la formazione di buchi neri in questo modo sono venute meno.
Dopo circa 13,8 miliardi di anni, gli scienziati non hanno ancora trovato prove definitive dell’esistenza dei buchi neri primordiali. È possibile, tuttavia, che si siano dissolti con l’invecchiamento del cosmo a causa di processi quantistici che si verificano ai margini dei loro orizzonti degli eventi. In base a previsioni teoriche, i buchi neri di massa inferiore (quelli con una massa inferiore a quella di una montagna) evaporerebbero più rapidamente di quelli più grandi: ciò potrebbe significare che molti di questi primi buchi neri si siano completamente dissipati. Buchi neri primordiali più massicci potrebbero invece ancora esistere nell’universo.
I buchi neri di massa stellare
La maggior parte dei buchi neri di massa stellare, originati dal collasso gravitazionale di stelle molto massicce alla fine della loro vita e a seguito di una supernova (si rimanda alla lettura dell’articolo precedente), ha una massa tipicamente compresa tra alcune volte e qualche decina di volte quella del Sole. L’osservatorio di onde gravitazionali NSF LIGO (NSF Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ne ha però rilevati diversi con masse fino a 100 volte superiori a quella solare.
La massa di questi corpi celesti al momento della loro formazione può variare da poche volte a centinaia di volte la massa del Sole, a seconda della massa della stella al momento dell’esplosione della supernova. I buchi neri di massa stellare possono continuare ad accrescere la propria massa attraverso collisioni con stelle e altri buchi neri.
Quasi tutti i buchi neri di massa stellare osservati finora sono stati individuati perché associati a stelle. Probabilmente hanno avuto origine da coppie di stelle disomogenee, in cui quella più massiccia si è evoluta in un buco nero. In alcuni casi, denominati binari a raggi X, il buco nero sottrae gas alla stella formando un disco che si riscalda al punto da produrre raggi X. I sistemi binari hanno permesso di individuare circa 50 buchi neri di massa stellare, sospetti o confermati, nella Via Lattea; gli scienziati ritengono però che ve ne possano essere fino a 100 milioni nella sola nostra galassia.
I buchi neri di massa intermedia
I buchi neri di massa intermedia hanno una massa compresa indicativamente tra 100 e 100.000 masse solari. Gli scienziati hanno individuato indizi che fanno presupporre l’appartenenza di alcuni corpi celesti a questa categoria, ma nessuno di questi “candidati” è stato ancora confermato in modo definitivo. I teorici ritengono che esistano tre scenari possibili per la loro formazione: potrebbero essere buchi neri primordiali, potrebbero essersi formati in ambienti densi di stelle, oppure potrebbero essersi formati dalla fusione di buchi neri di massa stellare.
I buchi neri supermassicci
I buchi neri supermassicci raggiungono una massa che varia da milioni a miliardi di masse solari e sembrano trovarsi al centro di quasi tutte le galassie.
Un’area importante dell’astrofisica moderna consiste nella ricerca del modo in cui si sono formati i buchi neri supermassicci. Il grande alone di mistero attorno alla loro formazione si basa su un quesito rimasto finora irrisolto: si sono formati fin dall’inizio con masse così elevate, oppure la loro massa è aumentata nel tempo?
Il progetto Event Horizon Telescope (EHT), finanziato dalla NSF, ha catturato immagini di due buchi neri supermassicci: uno al centro della galassia Messier 87 e l’altro nella Via Lattea, Sagittarius A*, che ha una massa pari a 4 milioni di volte quella del Sole — relativamente piccola se paragonata a quella di altri buchi neri presenti in galassie diverse. Ad esempio, il buco nero al centro della galassia Holmberg 15A contiene almeno 40 miliardi di masse solari.
Le osservazioni di galassie distanti mostrano che alcuni buchi neri supermassicci si sono formati nel primo miliardo di anni dopo la nascita dell’universo. È possibile che questi buchi neri abbiano avuto origine dal collasso di stelle supermassicce nell’universo primordiale, il che avrebbe dato loro un vantaggio iniziale.
Sebbene le loro origini siano misteriose, gli scienziati hanno appurato che i buchi neri supermassicci possono crescere nutrendosi di oggetti più piccoli, come buchi neri di massa stellare e stelle di neutroni. Possono anche fondersi con altri buchi neri supermassicci quando le galassie si scontrano.
Classificazione dei buchi neri in base alla massa e altre proprietà fisiche
In base al Teorema dell’essenzialità (conosciuto anche come no-hair theorem), una volta che un buco nero si è formato e si è assestato in uno stato di equilibrio, esso è completamente caratterizzato da tre parametri fisici:
• Massa (M)
• Carica elettrica (Q),
• Momento angolare (J).
Dopo il collasso gravitazionale del corpo celeste che dà origine al buco nero, tutte le altre informazioni sul corpo stesso diventano inaccessibili dall’esterno: il buco nero è, cioè, descritto unicamente da questi tre parametri. Si perdono, ad esempio, tutte le informazioni sulla natura e sul numero delle particelle di cui era composto il corpo celeste.
Il nome del teorema in inglese (che tradotto significa “senza capelli”) deriva da una frase ironica del fisico John Archibald Wheeler: «a black hole has no hair», che sottolineava così in modo scherzo la perdita di informazioni in un buco nero.
Combinando i tre parametri fisici (massa, carica elettrica e momento angolare) si ottengono quattro soluzioni delle equazioni di Einstein1:
• Buco nero di Schwarzschild – È la soluzione più semplice: considera un buco nero avente una massa, ma che non ruota (quindi ha un momento angolare pari a 0) e che non ha carica (o ciò che è lo stesso ha carica elettrica nulla).
• Buco nero di Kerr – È il modello più adatto a descrivere i buchi neri astrofisici reali: ha massa, ruota e non ha carica elettrica. Nei buchi neri reali, infatti, l’eventuale carica elettrica si annulla rapidamente per attrazione di cariche opposte. Il modello di Kerr presenta l’ergosfera, una regione esterna all’orizzonte degli eventi in cui lo spaziotempo viene trascinato dalla rotazione, al punto che è impossibile restare fermi rispetto all’infinito.
• Buco nero di Reissner-Nordström – È un modello teorico che si basa su un buco nero avente una massa, non ruota ed è elettricamente carico.
• Buco nero di Kerr-Newman – Rappresenta il modello matematico più completo: considera un buco nero che possiede tutte e tre le proprietà: massa, momento angolare e carica.
Classificazione dei buchi neri in base all’interazione con la materia circostante
I buchi neri interagiscono in modi diversi con la materia circostante. In base all’attività di accrescimento manifestata in queste interazioni, i buchi neri possono suddividersi in:
- Attivi – Buchi neri supermassicci che stanno attivamente “nutrendosi” di gas e stelle. Generano dischi di accrescimento caldissimi e potenti getti relativistici. Sono il motore dei nuclei galattici attivi (AGN), che comprendono oggetti come i quasar, i blazar e le galassie di Seyfert: queste sono sottoclassi di AGN, osservate da angolazioni diverse rispetto al disco e ai getti.
- Quiescenti o Silenti – Non hanno materia vicina da catturare. Sono invisibili alla luce diretta e vengono rilevati solo tramite i loro effetti gravitazionali sulle stelle vicine.
A queste due categorie si aggiunge il buco nero binario, un sistema composto da un buco nero e da un’altra stella (o da un altro buco nero) che orbitano l’uno intorno all’altro. Sono le fonti primarie di onde gravitazionali e di binari a raggi X. Un buco nero binario può essere a sua volta attivo o quiescente, a seconda che stia o meno accrescendo materia.
Con questi ultimi dettagli termina, per il momento, la trattazione sui buchi neri. Sperando di essere riusciti a suscitare il vostro interesse, rinnoviamo l’appuntamento alla prossima settimana per l’ultimo capitolo dedicato alle proprietà dei buchi neri.
A presto!
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Glossario
1L’equazione di campo di Einstein è l’equazione fondamentale della teoria della relatività generale. Essa descrive la curvatura dello spaziotempo in funzione della densità di materia, dell’energia e della pressione, rappresentate tramite il tensore stress-energia. L’equazione è stata al centro di una polemica di priorità tra Albert Einstein e il matematico David Hilbert, risolta dopo parecchio tempo a favore di Einstein.
