Alzi la mano chi non ha mai sentito parlare di un buco nero: l’oggetto cosmico più misterioso e allo stesso tempo più affascinante dell’universo, che da anni continua a togliere il sonno a migliaia di scienziati in tutto il mondo desiderosi di scoprire i segreti che nasconde, e che ha ispirato innumerevoli opere di fantascienza fra romanzi, film, serie televisive, e fumetti, finendo con influenzare notevolmente la cultura pop.
Basti pensare all’esempio più celebre rappresentato a pieno titolo (n.d.a.) dal film Interstellar del 2014, diretto da Christopher Nolan, con la consulenza scientifica del fisico teorico statunitense Kip Thorne (vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2027, assieme al suo connazionale Barry C. Barish per i decisivi contributi al rivelatore LIGO e l’osservazione delle onde gravitazionali).
Nell’immaginario collettivo degli appassionati di scienza e fantascienza, il fascino esercitato dal buco nero è cosi grande da non rimanere certo ignorato, proprio come il suo potere reale di attrattore di materia e di luce, altrettanto fortissima è la sua capacità di incuriosire e di cercare di comprendere le leggi fisiche alla base della sua natura.
Ma cosa è esattamente un buco nero, e perché è molto importante comprendere i concetti legati alla sua formazione e quali sono, soprattutto i riscontri pratici?
Scopriamolo assieme, in questo articolo che inaugura la rubrica settimanale: “Curiosità Astrofisiche”.
Definizione di buco nero
In modo coerente con la mission di Astronotizie, che mira a rendere accessibili a tutti i temi trattati, inizieremo con una definizione semplice, procedendo man mano ad arricchire i contenuti seguendo un processo graduale.
Bando ad ulteriori indugi, allora, iniziamo: innanzitutto è doveroso chiarire che non si tratta affatto di buco nel senso geometrico o spaziale del termine (come un tunnel o un vuoto nel tessuto dell’universo), poiché In realtà un buco nero è un oggetto celeste talmente massiccio e concentrato che la sua forza di gravità è irresistibile; nulla, nemmeno la luce, può sfuggirgli. Funziona come una sorta di “pozzo senza fondo nello spazio”, da cui non si può più uscire una volta entrati.
Immaginate di comprimere una stella enorme in uno spazio piccolissimo. A un certo punto, la gravità diventa talmente forte che lo spazio stesso si “chiude” su se stesso, formando una specie di “voragine cosmica”, ed è proprio questa struttura che chiamiamo buco nero: una regione dello spazio da cui niente può uscire, nemmeno la luce, l’entità fisica più veloce dell’universo (quando si muove nel vuoto).
Per questo gli si attribuisce il colore nero: è impossibile vederlo direttamente, perché non emette né riflette nulla. Riusciamo ad individuarlo solo dagli effetti che ha su ciò che gli sta intorno, come le stelle che gli orbitano attorno o il gas che vi cade dentro, emettendo raggi X e altre radiazioni prima di sparire per sempre.
Un buco nero, in estrema sintesi, è un punto dello spazio in cui la gravità vince su tutto: una vera e propria “trappola cosmica” da cui nemmeno la luce riesce a scappare.
Una definizione rigorosa dal punto di vista scientifico, è la seguente:
“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, essendo la velocità di fuga superiore1 alla velocità della luce (indicata con c, e pari a 299.792.458 m/s)”.
Il buco nero è il risultato di implosioni di masse sufficientemente elevate. La gravità domina su qualsiasi altra forza, determinando un collasso gravitazionale che tende a concentrare lo spaziotempo in un punto al centro della regione, dove è teorizzato uno stato della materia di curvatura tendente a infinito e volume tendente a zero chiamato singolarità, con caratteristiche sconosciute ed estranee alle leggi della relatività generale.
Il limite del buco nero è definito orizzonte degli eventi, regione che ne delimita in modo peculiare i confini osservabili.
Per le suddette proprietà, il buco nero, come è già stato anticipato, non è osservabile direttamente. La sua presenza si rivela solo indirettamente mediante i suoi effetti sullo spazio circostante: le interazioni gravitazionali con altri corpi celesti e le loro emissioni, le irradiazioni principalmente elettromagnetiche della materia catturata dal suo campo di forza.
Nel corso dei decenni successivi alla pubblicazione della relatività generale (avvenuta nel marzo 1916 ad opera di Albert Eintein, ma già presentata da quest’ultimo nel novembre 1915 all’accademia delle scienze di Berlino), base teorica della loro esistenza, vennero raccolte numerose osservazioni interpretabili, pur non sempre univocamente, come prove della presenza di buchi neri, specialmente in alcune galassie attive e sistemi stellari di binarie X.
L’esistenza di tali oggetti è oggi definitivamente dimostrata e via via ne vengono individuati di nuovi con massa molto variabile, da valori compresi in un range di circa 5 fino a miliardi di masse solari2.
La letteratura scientifica legata al buco nero
Il termine “buco nero” fu coniato dal fisico John Archibald Wheeler, che lo utilizzò a partire dal 1967 in un suo discorso a seguito del suggerimento di uno spettatore mai identificato.
Tuttavia, nella fisica classica, basandosi sui principi della dinamica, era stata già teorizzata nel XVIII secolo la possibilità che un corpo avesse una massa così grande da non consentire nemmeno alla luce di superare la velocità di fuga, ragione per cui tale corpo sarebbe risultato invisibile.
Nel 1783 lo scienziato inglese John Michell suggerì in una lettera a Henry Cavendish (successivamente pubblicata nei rendiconti della Royal Society) che la velocità di fuga da un corpo celeste potrebbe risultare superiore alla velocità della luce, dando luogo a quella che egli chiamò una “stella oscura” (dark star).
Nel 1798 Pierre-Simon de Laplace riportò quest’idea nella prima edizione del suo Traité de mécanique céleste.
Da un punto di vista relativistico, il concetto di buco nero venne teorizzato dal fisico Karl Schwarzschild nel dicembre 1915, un mese dopo la presentazione della teoria della relatività generale.
Nella relatività generale il campo gravitazionale viene descritto come deformazione dello spaziotempo causata da un oggetto molto massiccio, e la velocità della luce è una costante limite.
Esplorando alcune soluzioni alle equazioni della teoria, Schwarzschild calcolò che un corpo ipoteticamente dotato di altissima densità produrrebbe nelle sue vicinanze una deformazione tale che la luce in allontanamento da esso tenderebbe a subire uno spostamento verso il rosso gravitazionale infinito.
Il concetto teorizzato da Schwarzschild dipende dalla densità dell’oggetto, in astratto cioè si potrebbe applicare a un qualsiasi oggetto il cui volume fosse estremamente piccolo rispetto alla sua massa, anche se, nella realtà, non è noto alcun mezzo che possa fornire a un oggetto con massa piccola l’energia necessaria per concentrare a tal punto la materia: l’unica forza nota nell’universo in grado di sviluppare una tale intensità è la forza di gravità, in presenza di una grande quantità di materia.
Come avviene la formazione di un buco nero
Per comprendere come si forma un buco nero, bisogna immaginare una stella come un equilibrio tra due forze opposte:
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La gravità, che spinge la materia verso il centro.
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La pressione verso l’esterno, generata dalle reazioni nucleari nel nucleo (che trasformano idrogeno in elio liberando energia).
Finché la stella “brucia” combustibile, questi due effetti si bilanciano e la stella rimane stabile per milioni o addirittura miliardi di anni.
Il caso più comune della formazione di un buco nero: l’origine da una stella
Durante la sua vita, una stella produce energia fondendo elementi sempre più pesanti nel suo nucleo. Alla fine della sua “vita”, la stella non ha più materiale che possa essere trasformato in energia, e ciò che accade dopo dipende dalla massa raggiunta.
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Le stelle con una massa fino a circa 8-10 volte quella del Sole si espandono fino a diventare giganti rosse. Alla fine della fase di gigante rossa, espellono i loro strati esterni formando una nebulosa planetaria, mentre il nucleo residuo diventa una nana bianca: questa transizione finale dura qualche migliaio di anni.
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Le stelle più grandi sviluppano un nucleo di ferro. Il ferro non può più essere fuso in modo utile, quindi il nucleo inizia a collassare. Gli strati esterni cadono verso l’interno, rimbalzano sul nucleo compatto e vengono espulsi nello spazio sotto forma di supernova. Il destino del nucleo residuo dipende dalla sua massa:
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Se è tra circa 1,4 e 3 masse solari, la pressione dei neutroni ferma il collasso: si forma una stella di neutroni.
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Se supera le tre masse solari, nessuna forza conosciuta può fermare il collasso. Il nucleo viene compresso in un volume sempre più piccolo, la sua attrazione gravitazionale aumenta e la sua velocità di fuga diventa maggiore. Alla fine si raggiunge un punto in cui nemmeno la luce può viaggiare abbastanza velocemente per sfuggire: ed ecco che si forma un buco nero.
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Video che mostra come avviene la formazione di un buco nero
Altri modi in cui si può formare un buco nero
Il processo appena descritto che riguarda le stelle morenti è il meccanismo più comune che origina un buco nero, ma non è l’unico. Tra gli altri casi si annoverano:
- Fusioni tra oggetti compatti: due stelle di neutroni o due buchi neri che si scontrano possono dar vita a un buco nero ancora più grande (quest’ultimo caso è ciò che LIGO ha osservato con le onde gravitazionali nel settembre 20153).
- Buchi neri primordiali: ipoteticamente formatisi nei primi istanti dopo il Big Bang, quando densità e pressione erano enormi. Non ancora osservati.
- Buchi neri supermassicci: quelli al centro delle galassie (milioni o miliardi di masse solari). La loro origine è ancora dibattuta: forse da fusioni successive, forse da collassi diretti di nubi di gas primordiali.
La trattazione del buco nero, per il momento, termina qui per poi riprendere in articoli successivi di approfondimento.
Con la speranza di essere riusciti a stimolare il vostro interesse verso questi temi scientifici, non ci rimane che augurarvi un buon fine settimana e darvi appuntamento al prossimo sabato per un nuovo ed interessante argomento.
A presto.
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Glossario
1La velocità di fuga è la velocità minima che un corpo, senza alcuna successiva propulsione, deve avere per potersi allontanare indefinitamente da un campo di forze a cui è soggetto. Viene anche chiamata in astronautica la seconda velocità cosmica (insieme con la prima e la terza, forma la tripletta di velocità notevoli riferite alla Terra per: mantenersi in orbita, allontanarsi indefinitamente dal campo gravitazionale terrestre, allontanarsi con abbastanza energia residua da poter uscire dal sistema solare).
2In astronomia, la massa solare (simbolo M☉) è un’unità di misura, usata per esprimere la massa delle stelle e di oggetti più grandi quali le galassie. Equivale alla massa del Sole, pari a circa due quintilioni di chilogrammi. Il suo valore convenzionale stabilito è: M⊙=(1,98855±0,00025)×1030kg. La massa solare è pari a circa 332946 volte la massa della Terra.
3L’evento si è verificato il 14 settembre 2015 (ma annunciato l’11 febbraio 2016): i due interferometri statunitensi di Advanced LIGO hanno registrato la collisione di due buchi neri situati a circa 1 miliardo di anni luce di distanza, aventi masse rispettivamente pari a 29 e 36 volte quella del Sole. Si sono fusi dando vita a un buco nero ancora più grande, di 62 masse solari. Le restanti 3 masse solari mancanti sono state convertite istantaneamente in pura energia sotto forma di onde gravitazionali.
