Buco nero

Un buco nero è un oggetto stellare dotato di un'attrazione gravitazionale talmente elevata da non permettere la fuga di nulla, neanche della luce, dalla sua superficie (denominata orizzonte degli eventi). Un buco nero formatosi da una stella ha una massa superiore a tre volte quella del Sole, ma a causa dei vari processsi di perdita di massa subiti dalle stelle al termine della loro vita occorre che la stella originaria fosse almeno dieci volte più massiccia del Sole.

Formazione dei buchi neri

Un disco di polvere vicino ad un buco nero super massiccio (HST).

Verso il termine del proprio ciclo vitale, il nucleo di una stella si spegne, avendo tarsformato, tramite fusione nucleare tutto l'idrogeno in elio. La forza gravitazionale, che prima era in equilibrio con la pressione generata dalle reazioni di fusione nucleare, prevale e comprime la massa della stella verso il suo centro.

A questo punto quando la densità diventa abbastanza alta può innescarsi la fusione nucleare dell'elio, con la produzione di litio, azoto e altri elementi fino all'ossigeno o al silicio. Durante questa fase la stella si espande e si contrare violentemente più volte, espellendo parte della propria massa. Le stelle più piccole si fermano ad un certo punto della catena e si spengono raffreddandosi e contraendosi lentamente, attraversano lo stadio di nana bianca e nel corso di molti milioni di anni diventano una sorta di gigantesco pianeta. In questo stadio la forza gravitazionale è bilanciata da un fenomeno quantistico, detto pressione di degenerazione, legato al principio di esclusione di Pauli. Per le nane bianche la pressione di degenerazione si innesca tra gli elettroni.

Se invece la stella supera una massa critica, detta limite di Chandrasekhar cioè 1,4 volte la massa solare, grande ad un certo punto ogni possibile combustibile nucleare viene bruciato e le reazioni nucleari non sono più in grado di opporsi al collasso gravitazionale. A questo punto la stella subisce una contrazione drammatica che fa entrare in gioco la pressione di degenerazione tra i componenti dei nuclei atomici. La pressione di degenerazione arresta bruscamente il processo di contrazione e può provocare una gigantesca esplosione, detta esplosione di supernova di tipo II .

Durante l'esplosione quel che resta della stella espelle grande parte della propria massa, che va a disperdersi nell'universo circostante, quello che rimane è un nucleo estremamente denso e massiccio. Se la sua massa è abbastanza piccola da permettere alla pressione di degenerazione di

contrastare la forza di gravità si arriva ad una situazione di equilibrio, con la formazione di una stella di neutroni.

Al contrario se la massa supera le tre masse solari non c'è più niente che possa contrastare la forza gravitazionale, inoltre, secondo la Relatività generale, la pressione interna non funziona più come forza verso l'esterno a contrastare il campo gravitazionale, ma diventa essa stessa una sorgente del campo gravitazionale, rendendo inevitabile il collasso infinito, anche in presenza di un'eventuale forza repulsiva ancora sconosciuta.

A questo punto, la densità della stella morente, ormai diventata un buco nero, raggiunge velocemente valori tali da creare un campo gravitazionale talmente intenso, da non permettere a nulla di sfuggire alla sua attrazione, neppure alla luce.

Il nome di questi oggetti deriva proprio da questa loro caratteristica, che li rende simili a inghiottitoi, disseminati nello spazio, dai quali nulla può più uscire. Essi non possono essere osservati direttamente, ma possono essere scoperti a causa degli effetti di attrazione gravitazionale che essi esercitano nei confronti della materia vicina.

Esistono anche altri scenari che posso portare alla formazione di un buco nero. In particolare una stella di neutroni in un sistema binario può rubare massa alla sua vicina fino a superare la massa di Chandrasekhar e collassare. Alcuni indizi suggeriscono che questo meccanismo di formazione sia più frequente del meccanismo "diretto".

Un altro scenario permette la formazione di buchi neri con massa inferiore alla massa di Chandrasekhar, difatti anche una quantità arbitrariamente piccola di materia, se compressa da una gigantesca forza esterna, può, in teoria, collassare e generare un altrettanto piccolo orizzonte degli eventi. Le condizioni necessarie potrebbero essersi verificate nel primo periodo di vita dell'universo, quando la sua densità media era ancora molto alta, a causa di variazioni di densità o di onde di pressione. Questa ipotesi è ancora completamente speculativa e non ci sono indizi che buchi neri di questo tipo esistano o siano esistiti in passato.

Fenomenologia dei buchi neri

La galassia gigante Centaurus A osservata in diverse regioni dello spettro elettromagnetico. Gli astronomi ritengono che il suo centro ospiti un buco nero della massa di milioni di masse solari, responsabile dei due getti lungo l'asse della galassia stessa.

Una caratteristica dei buchi neri è il cosiddetto orizzonte degli eventi, una superficie immaginaria che circonda l'oggetto. Qualunque cosa oltrepassi questo limite, che è puramente matematico, posto ad una distanza dal centro del buco nero pari al raggio di Schwarzschild, non può più uscirne o trasmettere segnali all'esterno. Una frase coniata dal fisico John Archibald Wheeler, un buco nero non ha capelli, sta a significare che tutte le informazioni della massa che cade in un buco nero vengono perdute, ad eccezione di tre fattori: massa, carica e momento angolare. Il corrispondente teorema è stato dimostrato da Wheeler, il quale è anche colui che ha dato il nome a questi oggetti astronomici.

In realtà un buco nero non è del tutto nero: esso emette particelle, in quantità inversamente proporzionale alla sua massa, portando ad una sorta di evaporazione. Questo fenomeno, dimostrato nel 1974 per la prima volta dal fisico Stephen Hawking, è noto come radiazione di Hawking ed è alla base della termodinamica dei buchi neri. Alcune sue osservazioni sull'orizzonte degli eventi dei buchi neri, inoltre, hanno portato alla formulazione del principio olografico.

Altri effetti fisici sono associati all'orizzonte degli eventi, in particolare per la relatività generale il tempo proprio rallenta all'aumentare del campo gravitazionale fino ad arrestarsi completamente sull'orizzonte. Quindi un astronauta che stesse precipitando verso un buco nero percepirebbe di impiegarci un tempo finito e, se potesse sopravvivere all'enorme gradiente del campo gravitazionale, non pecepirebbe nulla di strano all'avvicinarsi dell'orizzonte; al contrario un osservatore esterno vedrebbe i movimenti dello sfortunato astronauta rallentare progressivamente.

Al contrario degli oggetti dotati di massa i fotoni non vengono rallentati o accelerati dal campo gravitazionale del buco nero, ma subiscono un fortissimo spostamento verso il rosso (in uscita) o verso il blu (in entrata). Un fotone che si originasse esattamente sull'orizzonte degli eventi diretto verso l'esterno del buco nero subirebbe un tale spostamente verso il rosso da allungare all'infinito la sua lunghezza d'onda e ridurre a zero la sua energia.

A tutt'oggi non è possibile conoscere lo stato della materia interna ad un buco nero, le leggi stesse che regolano la fisica all'esterno dell'orizzonte degli eventi perdono validità in prossimità del buco nero.

Uno degli oggetti nella Via Lattea candidati ad essere un buco nero è una sorgente di raggi X chiamata Cygnus X-1. Viene ipotizzato che enormi buchi neri (di massa pari a milioni di volte quella del sole) esistano al centro delle galassie, come nella nostra e nella galassia di Andromeda.

Ipotesi alternativa

Secondo una minoranza di ricercatori, i buchi neri non esistono. Bisogna infatti ricordare che l'esistenza dei buchi neri non è sicura, in quanto manca ancora una osservazione diretta del fenomeno nelle immediate vicinanze dell'orizzonte degli eventi. Tuttavia esistono indizi talmente numerosi della loro esistenza da poterla considerare accertata. È sempre possibile che tutti questi

indizi vengano spiegati da un'entità fisica, oggi ancora sconosciuta, che non sia un buco nero, ma questa ipotesi sembra estremamente improbabile ed è in diretta contraddizione al principio del rasoio di Occam.

Modelli fisici e modelli matematici

Un analogo fisico di un buco nero è il comportamento delle onde sonore in prossimità di un ugello di De Laval: una strozzatura utilizzata nei bruciatori dei razzi che fa passare il flusso dal regime subsonico a supersonico, senza creare un bang sonico. Prima dell'ugello le onde sonore possono andare all'indietro, mentre dopo averlo attraversato è impossibile. Altri analoghi possono sfruttare le onde superficiali in un liquido in moto in un canale circolare con altezza decrescente, un tubo per onde elettromagnetiche la cui velocità è alterata da un laser, una nube di gas di forma ellissoidale in espansione lungo l'asse maggiore. Tutti questi modelli, se raffreddati fino alla condizione di condensato di Bose - Einstein, dovrebbero presentare l'analogo della radiazione di Hawking, e possono essere usato per correggere le previsioni di quest'ultima: come un fluido ideale, la teoria di Hawking considera la velocità della luce (suono) costante, indipendentemente dalla lunghezza d'onda (comportamento detto di Tipo I). Nei fluidi reali la velocità può aumentare (Tipo II) o diminuire (Tipo III) all'aumentare della lunghezza d'onda. Analogamente dovrebbe avvenire con la luce, ma se il risultato fosse che lo spazio tempo diffonde la luce come il Tipo II o il Tipo III, andrebbe modificata la relatività generale, cosa già nota perché per le onde con lunghezza d'onda prossima alla lunghezza di Planck diventa significativa la gravitazione quantistica.

Restando invece nel campo relativistico, poiché per descrivere un buco nero sono sufficienti tre parametri: massa, momento angolare e carica elettrica, i modelli matematici derivabili come soluzioni dell'equazione di campo della relatività generale si riconducono a quattro:

È la soluzione più semplice, in quanto riguarda oggetti non rotanti e privi di carica elettrica, ma è anche piuttosto improbabile nella realtà, poiché un oggetto dotato anche di una minima rotazione, una volta contratto in buco nero deve aumentare enormemente la sua velocità angolare in virtù del principio di conservazione della quantità di moto.

Buco nero di Kerr

Tratta di oggetti rotanti e privi di carica elettrica, caso che presumibilmente corrisponde alla situazione reale. Un oggetto dotato di un campo gravitazionale intenso come quello di un buco nero, ruotando trascina con se lo spaziotempo circostante, distorcendolo.

Ricerche sperimentali sui buchi neri

Presso il CERN di Ginevra è in costruzione un acceleratore di particelle, detto Large Hadron Collider che, quando entrerà in funzione nel 2007, potrebbe permettere di approfondire la conoscenza teorica delle condizioni di pressione e densità estreme che si verificano in prossimità dei buchi neri, oltre che nei primi istanti di vita dell'universo.

Si potrebbbero inoltre generare minuscoli buchi neri che a causa della radiazione di Hawking dovrebbero evaporare in circa 10-42 secondi. Se succedesse si potrebbe così verificare l'esistenza della radiazione di Hawking.

Altre strumentazioni simili sono in fase di progettazione o costruzione in vari centri di ricerche nel mondo. Il più diretto concorrente è lo SLAC.

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Leggende associate ai buchi neri

Fuochi d'artificio vicino ad un buco nero nella galassia NGC 4151 (HST).

Per il loro fascino esotico, oltre che per la difficoltà concettuali e matematiche a uno studio serio dell'argomento, i buchi neri appaiono in molte leggende pseudoscientifiche.

circostante fino a portare due lembi di spazio-tempo, solitamente distanti, a toccarsi. I wormhole sarebbero percorribili (almeno in teoria) permettendo viaggi nel tempo o a velocità superluminali. Non è mai stata dimostrata, direttamente o indirettamente, l'esistenza di tunnel cosmici, inoltre le teorie che ne ammettono l'esistenza pongono anche dei limiti alla loro dimensione o alla quantità di energia necessaria ad attraversarli tali da renderne l'utilizzo pratico impossibile.

Il Big Bang deriva da un buco nero

Un'altra teoria piuttosto diffusa vuole che il Big Bang sia dovuto all'esplosione di un buco nero che aveva precedentemente inghiottito tutta la massa dell'universo. Questa teoria, pur essendo possibile, non è mai stata dimostrata; inoltre non è richiesta da nessun risultato scientifico. In altre parole che il Big Bang si origini o meno da un buco nero è irrilevante poiché le teorie fisiche conosciute sono valide solo alcuni istanti dopo il Big Bang e non permettono di azzardare ipotesi su cosa ci fosse prima.

Il nostro universo è l'interno di un buco nero

Chi sostiene questa teoria intende che un buco nero, formatosi in un super universo con un maggior

numero di dimensioni del nostro, contenga al proprio interno l'universo in cui viviamo. Poiché il tempo smette di esistere sull'orizzonte degli eventi si suppone che una delle dimensioni spaziali ne prenda il posto, producendo all'interno del buco nero un universo con una dimensione spaziale in meno. Esistono altre varianti della teoria, in cui la dimensione spaziale viene persa in altre maniere, in cui il tempo si inverte di direzione o in cui il buco nero si stacca dall'universo d'origine, come una specie di bolla.

Questa teoria, pur essendo affascinante, è assolutamente speculativa e si scontra con la nostra assoluta ignoranza di cosa accada realmente all'interno dei buchi neri. Come nel caso precedente, le leggi fisiche note perdono validità ben prima che queste speculazioni entrino in gioco.