I BUCHI NERI

Affrontiamo questa volta il delicato argomento inerente i buchi neri. Parlare di buchi neri può essere delicato poiché si è costretti a sconfinare in concetti o definizioni che, in quelle condizioni così estreme della materia, non trovano più riscontro con le leggi della fisica classica. Cercheremo quindi di mantenerci sui principi basilari, senza entrare nel merito di formule o leggi di fisica quantistica che rischierebbero di appesantire o rendere incomprensibile quest’argomento.

Ormai è risaputo da tempo quale sarà il destino finale del nostro Sole: tra circa 5 miliardi di anni tutto l’idrogeno presente sarà stato trasformato in elio, dopodiché l’elio stesso verrà bruciato in carbonio e ossigeno e così via, fino a formare elementi sempre più pesanti che comporteranno un rilascio sempre minore di energia da parte della nostra stella.

Dopo che tutti gli elementi in grado di produrre energia saranno stati bruciati, le regioni interne non saranno più in grado di generare la pressione necessaria a contrastare la forza di gravità ed allora avverrà che gli strati esterni del Sole crolleranno su se stessi, comprimendo gli atomi della materia presente finché non sarà la pressione degli elettroni stessi ad arrestare questa caduta verso il centro.

Al termine di questi eventi il Sole si sarà compattato in una sfera 10.000 volte meno luminosa, delle dimensioni della Terra e con una densità elevatissima: un cucchiaio di materia peserebbe circa 1.000 tonnellate. Si è così formata una nana bianca.

Le stelle però non finiscono tutte in questo modo. Nel 1931 il fisico indiano S. Chandrasekhar calcolò che per stelle con massa superiore a 1,4 masse solari, la pressione degli elettroni non sarebbe stata più sufficiente ad arrestare il collasso, la gravità quindi avrebbe continuato la sua opera inarrestabile fino a quando non saranno i neutroni rimasti ad arrestare nuovamente la contrazione. Il risultato sarà una palla concentrata di circa 10/20 km di diametro, detta stella di neutroni, con una densità talmente elevata che il nostro cucchiaio di materia questa volta peserebbe almeno 10 miliardi di tonnellate.

Tra il 1965 ed il 1972 venne però dimostrato che questo stato avviene esclusivamente per stelle che hanno una massa iniziale compresa tra 1,4 e 3,2 masse solari ed il problema era che si conoscono stelle con masse fino a 20/30 volte superiori a quella del Sole. Era lecito, quindi, domandarsi cosa succede a questo genere di stelle così massicce?

Secondo le attuali conoscenze si ritiene che in questi astri il collasso non si arresta ma prosegue all’infinito fino a ridurre, teoricamente, la stella ad un singolo punto.

Il risultato di questo eterno collasso è appunto l’oggetto più incredibile che possa esistere in natura: un buco nero.

Gli effetti che un buco nero ha, sullo spazio circostante, sono tanto straordinari quanto difficili da immaginare, primo su tutti l’incurvamento dello spazio intorno a se stesso.

Secondo Albert Einstein, infatti, la massa di un corpo nello spazio si manifesta come una proprietà geometrica. Per rendere comprensibile questo concetto immaginiamo un telo di gomma ben teso che rappresenti il nostro spazio. Se sul nostro telo non appoggiamo niente esso rimarrà perfettamente piano ma nel momento in cui vi poniamo sopra, ad esempio, una grossa sfera di 20 kg., noteremo che nel punto di appoggio il telo si incurverà sotto il peso della sfera stessa. Immaginando di poter comprimere la sfera fino a dimensioni più ridotte, ma conservando il suo peso iniziale, osserveremo che essa affonderà maggiormente nel telo, incurvandolo notevolmente poiché la stessa massa ora è concentrata in un’area molto più ristretta.

Durante la formazione di un buco nero, in pratica, avviene proprio questo: la stella si contrae rapidamente, il campo gravitazionale e la massa tendono a diventare infiniti e la materia collassata raggiunge uno stato al di fuori del nostro spazio-tempo, dove le leggi della fisica cessano di esistere. Si è così formata una singolarità.

Riportando il tutto sul nostro telo di gomma assisteremo alla formazione di una specie di imbuto nel cui interno le pareti sono ormai parallele e non più convergenti verso un fondo. A questo punto qualsiasi cosa vi cadesse dentro non potrebbe più uscirne. In un buco nero, infatti, il campo gravitazionale è talmente intenso che neanche una velocità di fuga di 300 mila km al secondo sarebbe sufficiente: anche la luce ne rimarrebbe intrappolata.

Proprio da questo deriva il nome buco nero poiché non riusciamo a ricevere nessuna informazione luminosa da tutto ciò che vi cade dentro. Il punto oltre il quale neanche la luce può più sfuggire è detto orizzonte degli eventi. 

Ma forse la cosa più incredibile da considerare sono i cosiddetti effetti relativistici legati ai buchi neri. Albert Einstein nella sua ormai famosa Teoria della Relatività asserì che il tempo è fortemente concatenato allo spazio e che, in determinate condizioni, lo spazio stesso può modificare addirittura lo scorrere del tempo.

Egli dimostrò, infatti, che in presenza di un forte campo gravitazionale il tempo trascorre tanto più lentamente quanto più è intenso il campo in questione e questo è proprio quello che avviene in prossimità di un buco nero.

Immaginiamo  questa volta due astronauti: uno in caduta libera verso il buco nero ed uno posto ad una distanza di sicurezza per osservare ciò che accade. Ebbene per l’astronauta in caduta libera gli eventi si succederanno in un tempo estremamente breve, mentre l’astronauta che osserva vedrà, incredibilmente, il suo collega rallentare sempre più la caduta verso il buco nero. Man mano che si avvicina all’orizzonte degli eventi, infatti, il campo gravitazionale crescerà in maniera esponenziale e, di conseguenza, altrettanto velocemente il tempo inizierà a rallentare. Questo farà sì che giunto in prossimità dell’orizzonte degli eventi, dove il campo gravitazionale tende all’infinito, il tempo si fermerà del tutto. In definitiva all’astronauta posto come osservatore non rimarrà che vedere l’immagine congelata, di colui che sta cadendo, per un tempo infinito.

Abbiamo detto che dai buchi neri non può uscire nessuna informazione luminosa ma allora come possiamo fare per osservarli? Essendo preclusa l’osservazione diretta o visiva dell’oggetto in questione, gli scienziati hanno pensato bene di osservare gli effetti che un buco nero può provocare nello spazio circostante.

Si ritiene che la materia in caduta verso un buco nero, prima di attraversare l’orizzonte degli eventi emetta forti quantità di raggi X, come fosse un ultimo grido prima di scomparire definitivamente dall’universo. Uno dei metodi migliori, infatti, è quello di osservare le stelle che, pur se all’apparenza singole, sembrano ruotare intorno ad un centro di massa con una compagna invisibile che sia una sorgente di raggi X. L’ipotetico buco nero, con il suo fortissimo campo gravitazionale, attirerebbe a sé enormi quantità di materia dalla stella compagna che precipitando verso di esso con violenza può riscaldarsi tanto da emettere appunto raggi X.

Da osservazioni fatte dai satelliti al di fuori dell’atmosfera, sono state scoperte decine di sorgenti di raggi X, di cui alcune sono state identificate come nane bianche o stelle di neutroni mentre altre, avendo masse stimate superiori alle 3,2 masse solari, sono state considerate veri e propri buchi neri.

La prima sorgente più accreditata ad essere un buco nero è stata Cygni X-1, dove una supergigante blu di classe spettrale B0, orbita intorno con una compagna invisibile intorno ad un baricentro comune in 5,6 giorni. Posto ad una distanza stimata in 8000 anni luce alcuni ritengono che la materia in caduta verso il buco nero abbia formato, intorno a quest’ultimo, un disco di aggregazione in cui essa cade seguendo una traiettoria a spirale.

La materia che cade dentro un buco nero che fine fa?

A questa domanda hanno cercato di dare una risposta parecchi scienziati senza però giungere a conclusioni certe; si è entrati solamente nel campo delle supposizioni.

Alla certezza che la materia che cade in simili oggetti non fa più parte del nostro universo sono state costruite ipotesi riguardanti gli universi paralleli.

Si crede che un buco nero possa creare un varco, conosciuto come ponte di Einstein-Rosen, con un altro universo nel quale riverserebbe tutta la materia in esso caduta, dando origine a qualcosa di esattamente opposto: un buco bianco.

Ma c’è chi ipotizza che questi ponti sfocino nel nostro stesso universo, dando così una spiegazione all’esistenza dei quasar, i più lontani oggetti luminosi conosciuti che brillano con un’intensità pari a quella di migliaia di supernovae e di cui si sa ben poco. 

Infine c’è chi ritiene che i buchi neri siano il mezzo idoneo per spostarsi attraverso l’universo in tempo zero o addirittura compiere viaggi nel passato.

Comunque sia a tutt’oggi i buchi neri vengono considerati più un’eventuale ipotesi che un dato di fatto, vi sono alcune teorie che escludono la formazione di questi oggetti, come per esempio le stelle con massa maggiore di 3,2 masse solari che potrebbero, per qualche ragione, perdere la loro massa fino a raggiungere un valore inferiore a quello previsto e non diventare mai buchi neri.

Certamente resta difficile accettare l’esistenza di simili oggetti, ne è la riprova quello che scrisse il teorico A. Eddington nel 1935, quando dopo aver studiato l’esistenza eventuale dei buchi neri, scrisse: ‘...penso che ci dovrebbe essere una legge di natura che impedisca alla stella di comportarsi in un modo così assurdo.’