Le proprietà dei buchi neri

Le proprietà dei buchi neri sono i parametri fisici che li descrivono e le caratteristiche strutturali del loro campo gravitazionale.

Sono proprio queste caratteristiche che rendono i buchi neri i corpi celesti più studiati in astrofisica, perché rappresentano il limite estremo delle leggi della fisica conosciute, permettendo di verificare la teoria della relatività generale di Einstein e di cercare un collegamento con la meccanica quantistica.

In questo articolo verranno descritte le principali proprietà dei buchi neri, completando così la loro trattazione iniziata alcune settimane fa.

Le principali proprietà dei buchi neri e la loro struttura

Orizzonte degli eventi

L’orizzonte degli eventi è la superficie limite nello spaziotempo che circonda un buco nero, oltre la quale la forza di gravità è così intensa che nulla può sfuggire, nemmeno la luce.

Si tratta di una previsione teorica della relatività generale, e rappresenta in pratica una regione di confine oltre la quale nessun evento che avviene al suo interno può influenzare un osservatore esterno.

Secondo la relatività ristretta, spazio e tempo formano un unico complesso a quattro dimensioni (lo spaziotempo); secondo la relatività generale, questo spaziotempo è deformato dalla presenza di massa (o energia)

Nel caso di un buco nero di Schwarzschild, l’orizzonte degli eventi si crea nel momento in cui, in un corpo autogravitante, la materia (concetto utilizzato qui per identificare insieme la massa e l’energia, che secondo la relatività ristretta sono equivalenti) è così concentrata che la velocità di fuga¹ assumerebbe valori pari o addirittura superiori alla velocità della luce.

I corpi del tipo suddetto, quando sono non rotanti (con momento angolare nullo) e privi di carica elettrica hanno una simmetria sferica con raggio pari a:

dove M è la Massa, G la costante di gravitazione universale e c è la velocità della luce. Tale espressione definisce il cosiddetto Raggio di Schwarzschild.

Secondo una definizione data da Roger Penrose, l’orizzonte degli eventi in un buco nero è una particolare superficie dello spaziotempo che separa i luoghi da cui possono sfuggire segnali da quelli da cui nessun segnale può sfuggire.

In un’accezione molto più generale, se per “evento” si intende un fenomeno (particolare stato della realtà fisica osservabile), identificato dalle quattro coordinate spazio-temporali, un “orizzonte degli eventi” può essere definito come una regione dello spaziotempo oltre la quale cessa di essere possibile osservare il fenomeno.

Un errore molto comune è quello di immaginare l’orizzonte degli eventi di un buco nero come una superficie statica di forma più o meno sferica. Quello che è invece bene tenere presente è che si tratta di un orizzonte a tutti gli effetti, ovvero di qualcosa di non raggiungibile e che si allontana all’avvicinarsi di un osservatore (esattamente come l’orizzonte terrestre).

Singolarità Gravitazionale

Ogni buco nero conterrebbe al suo centro una singolarità gravitazionale: un punto in cui la curvatura dello spaziotempo tende a un valore infinito.

Le singolarità gravitazionali sono possibili configurazioni dello spaziotempo previste dalla teoria della relatività generale nel caso in cui la densità della materia raggiunga valori così elevati, e il volume valori così ridotti, da far divergere la curvatura dello spaziotempo.

Secondo alcune teorie la nascita dell’universo, comunemente nota come Big Bang, potrebbe avere avuto inizio con una singolarità gravitazionale ed anche l’ipotetica fine dell’universo (detta Big Crunch) potrebbe essere causata da un’altra singolarità, diametralmente opposta al Big Bang, in cui l’universo terminerà la propria espansione e inizierà a contrarsi fino a collassare su se stesso.

Per un buco nero non rotante, questa regione prende la forma di un unico punto, mentre per un buco nero rotante viene spalmata per formare una singolarità ad anello giacente nel piano di rotazione.

In entrambi i casi, la regione della singolarità ha un volume nullo. In base alla relatività generale, tutta la massa di un buco nero è idealmente concentrata nella singolarità centrale, ma questo è un limite matematico della teoria classica, e non una dimostrazione fisica certa. La regione singolare può quindi essere pensata come avente densità infinita.

In linea teorica gli osservatori che cadono in un buco nero di Schwarzschild (cioè, non rotante e non carico) non possono evitare di essere trasportati nella singolarità una volta che attraversano l’orizzonte degli eventi.

Gli osservatori potrebbero prolungare l’esperienza accelerando verso l’esterno per rallentare la loro discesa, ma fino a un certo punto; una volta raggiungono la singolarità, la loro massa si aggiungerebbe alla massa totale del buco nero. Prima che ciò accada, essi verrebbero comunque distrutti in un processo indicato come “spaghettificazione”: un effetto che avviene quando un oggetto è in caduta verso il centro di un buco nero, per cui l’oggetto stesso si allunga e stira in forme sottili, simili a spaghetti (da cui il nome).

Ergosfera

L’ergosfera è una regione situata appena all’esterno di un buco nero rotante. È una regione avente la forma di un ellissoide per rotazioni moderate, il cui confine vicino ai poli tende a combaciare con l’orizzonte degli eventi, ma in prossimità dell’equatore se ne distacca. Con l’aumentare del momento angolare del buco nero, la forma dell’ergosfera tende a diventare sempre più simile a una ciambella senza buco, cioè a un disco il cui centro si assottiglia al punto di toccare l’orizzonte degli eventi sottostante.

Il termine ergosfera deriva dal greco ἓργον (ergon) che significa “lavoro”, per indicare la sfera entro la quale può essere compiuto un lavoro in grado di aumentare l’energia di una particella che vi entra. La terminologia fu introdotta da Remo Ruffini e John Archibald Wheeler.

Per una maggiore comprensione si può immaginare l’ergosfera come una sorta di telo disteso che viene poi deformato da una palla pesante che ruota su stessa e che rappresenta un buco nero. Tutto ciò che viene messo sopra al telo verrà trascinato verso la palla.

Gli oggetti e le radiazioni normalmente possono sfuggire dall’ergosfera, esattamente al contrario di ciò che accade invece agli oggetti e alle radiazioni che oltrepassano l’orizzonte degli eventi.

Attraverso il processo di Penrose, gli oggetti possono emergere dall’ergosfera con energia maggiore di quella d’entrata. Questa energia viene prelevata dall’energia di rotazione del buco nero, facendolo rallentare.

Disco di accrescimento

Un disco di accrescimento è un anello vorticoso di gas, polveri e detriti incandescenti che ruota ad altissima velocità attorno a un buco nero prima di essere risucchiato al suo interno.

Ha origine dalla forte gravità di un buco nero che attira la materia circostante (proveniente da una stella vicina o dal mezzo interstellare). A causa della conservazione del momento angolare, il materiale non cade dritto al centro, ma si dispone in una struttura a spirale rotante.

Man mano che le particelle si avvicinano al centro, l’attrito reciproco e la compressione fanno salire la temperatura fino a milioni di gradi Kelvin.

A queste temperature estreme, la materia emette intense radiazioni elettromagnetiche, in particolare raggi X provenienti dalle zone più interne, visibili tramite i telescopi.

L’importanza del disco di accrescimento è notevole ai fini della ricerca, infatti, senza questa sorta di “anello brillante”, costituito da gas, polveri e altri detriti stellari, a ruotarvi attorno, non si sarebbe in grado neanche di individuare un buco nero.

È doveroso ricordare, a tal proposito, ciò che è stato descritto in articolo precedente: è impossibile vedere direttamente un buco nero, perché non emette né riflette nulla.

La sua presenza è rilevata solo dagli effetti che ha su ciò che gli sta intorno. Ma i lettori più attenti si chiederanno a questo punto: “allora come è stato possibile fotografare un buco nero nel 2019?”.

La risposta arriva da un’altra proprietà del buco nero: la sua ombra.

L’ombra del buco nero

L’ombra di un buco nero è una regione scura centrale circondata da un anello luminoso, creata dalla forte curvatura gravitazionale dello spaziotempo.

Il campo gravitazionale del buco nero è così intenso da deviare e catturare i raggi di luce provenienti dalla materia circostante (gas e polveri incandescenti del disco di accrescimento).

I fotoni che passano troppo vicino, quindi, finiscono intrappolati oltre l’orizzonte degli eventi, lasciando una “sagoma” scura.

L’ombra non coincide esattamente con l’orizzonte degli eventi, ma risulta più grande di quest’ultimo (circa 2,5 volte) a causa dell’effetto lente gravitazionale che allarga la regione buia.

L’impresa storica della prima foto scattata a un buco nero (per la precisione M87*, situato al centro della galassia Messier 87) avvenuta il 10 aprile 2019², ad opera dell’Event Horizon Telescope³ è stata resa possibile proprio grazie all’ombra di questo buco nero e della luce che lo circonda.

Il buco nero in sé resta nero sullo sfondo nero dello spazio profondo e quindi è praticamente invisibile, ma il gas incandescente che gli orbita intorno emette radiazione, e la gravità del buco nero curva questa luce in modo tale da creare un anello luminoso con un “buco” scuro al centro. Ciò che si vede nelle immagini dell’Event Horizon Telescope è esattamente questo: non l’oggetto, ma il suo effetto sulla materia e sulla luce circostante .

Con la descrizione di questa curiosità che riguarda un’impresa davvero eccezionale, termina il ciclo dedicato ai buchi neri, un argomento talmente vasto da renderne impossibile la pubblicazione in un solo articolo in modo condensato, senza perdere quella chiarezza espositiva necessaria ad una corretta divulgazione.

Ciò non significa, naturalmente, che non ne parleremo più dato che sarebbe praticamente impossibile, vista l’enorme importanza che rivestono i buchi neri nella ricerca scientifica: è solo terminato un ciclo che poneva il focus sulla loro origine, i diversi tipi e le proprietà. Nei prossimi articoli, magari si riprenderà l’argomento con altri contenuti extra che riguardano questi misteriosi ed affascinanti “mostri della galassia”.

Se vi steste chiedendo quale potrebbe essere uno di questi contenuti extra, a cui stiamo pensando possiamo darvi un’anticipazione: la Radiazione di Hawking – un “ponte” tra la relatività generale e la meccanica quantistica, ovvero tra le due grandi leggi della fisica che faticano a “convivere”.

A presto!

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