Scienza e tecnologia

Mostri cosmici – I buchi neri

Buchi Neri

Qual è la vera natura dei buchi neri? E che cosa sappiamo dire oggi di questi oggetti così misteriosi, apparentemente invisibili e lontanissimi? Esaminiamo insieme alcuni degli ultimi progressi della scienza dell’Universo.


I buchi neri sono i più particolari corpi celesti dell’ Universo. Di fatto sono caratterizzati da un’enorme quantità di massa, concentrata però in uno spazio molto piccolo. La nostra galassia, la Via Lattea, contiene con ogni probabilità svariati milioni di buchi neri. Finora ne avevamo individuati  solo una piccola parte, ma adesso, grazie all’Event Horizon Telescope (un  progetto internazionale costituito da una rete mondiale di radiotelescopi), la comunità scientifica ha fatto numerosi passi avanti. Per la prima volta abbiamo ottenuto la “foto” di un buco nero.

Lo spazio-tempo

La natura dei buchi neri è strettamente connessa alla teoria della Relatività Generale del noto Albert Einstein. Prima del suo lavoro, spazio e tempo erano due concetti distinti . Sin dai tempi di Isaac Newton, padre della teoria della Gravitazione Universale, il tempo in particolare era stato considerato un ente a sé stante. 

Buchi Neri
Lo scienziato tedesco Albert Einstein (1879-1955), uno degli scienziati più importanti del ‘900.

L’assunzione più importante che si faceva a riguardo, era che il tempo fosse assoluto:misurare un intervallo di tempo in un determinato sistema era del tutto equivalente che misurare lo stesso intervallo da un’ altra parte. Invece lo spazio, Da un punto di vista matematico, si descriveva in termini di geometria euclidea, presumendo dunque che potesse essere pensato come un piano approssimativamente infinito. Spazio e tempo erano totalmente slegati.

La teoria di Einstein però, prevede che la presenza di oggetti dotati di massa, come stelle e galassie, modifichi la forma dello spazio, ma anche del tempo, curvandola. Tanto più il corpo considerato ha una massa grande, tanto più la deformazione sarà evidente e pronunciata. 

Per comprendere meglio questo passaggio, si rappresentare il tessuto spazio-temporale dell’Universo con un semplice lenzuolo teso. posizionando oggetti di massa diversa sopra di esso, quelli più leggeri deformeranno di poco il lenzuolo verso il basso; gli oggetti pesanti invece piegheranno molto di più la superficie, creando una specie di cavità. 

Questo è in sostanza ciò che si verifica su grande scala nell’ Universo. Siccome i buchi neri hanno masse considerevoli concentrati in regioni compatte, alterano di molto lo spazio-tempo 

L’origine dei buchi neri

i buchi neri sono suddivisi in due grandi gruppi. Da un lato abbiamo quelli di massa piccola ed intermedia, di solito correlati all’attività stellare. Poi abbiamo i buchi neri super-massicci, spesso situati nelle regioni centrali delle galassie. 

I primi si formano a partire dal collasso gravitazionale di stelle molto massicce (almeno 25 volte più pesanti del sole). durante la loro evoluzione, le stelle producono elementi chimici sempre più pesanti che si accumulano nel nucleo. Tale processo prosegue fino a raggiungere un equilibrio tra i vari strati gassosi che costituiscono la stella. Dopo miliardi di anni gli elementi chimici prodotti diventano talmente pesanti, da aumentare la gravità interna del corpo celeste a tal punto che la stella collassa su se stessa.  Gran parte della massa contenuta nella struttura si compatta progressivamente in un oggetto estremamente denso ed impenetrabile. questo oggetto è proprio un buco nero.

La storia dei buchi neri super-massicci è decisamente più complessa ed è, ancora oggi, un mistero. Se un buco nero classico arriva ad essere qualche centinaia di volte più pesante del sole, questi “mostri cosmici” raggiungono masse oltre dieci milioni di volte superiori a quella del sole. Secondo alcune ipotesi la loro formazione è riconducibile a fasi primordiali dell’Universo. Si ipotizza infatti che tali corpi possano essersi  formati a partire dal collasso diretto di immense nubi di gas freddo. Altri studiosi ritengono invece che si siano formati dalla “fusione” tra più buchi neri più piccoli.

 Anche la nostra Via lattea contiene al centro un buco nero di questo tipo. Con ogni probabilità questi oggetti sono strettamente connessi alla nascita e all’evoluzione delle galassie stesse che li ospitano. Il campo di ricerca in questo senso è ancora del tutto aperto.

“Vedere” un buco nero

Buchi Neri
I radiotelescopi sono apparecchiature che permettono di rilevare qualunque genere di onde radio emesse da sorgenti sparse nell’Universo.

La prima immagine di un buco nero (in copertina) è stata ottenuta dall’Event Horizon Telescope nell’aprile del 2019; si tratta in particolare del buco nero super-massiccio della galassia M87, a 55 milioni di anni luce da noi. In realtà ciò che si vede è una nube di gas che circonda il corpo celeste , il cosiddetto disco di accrescimento

Di fatto è impossibile osservare direttamente il buco nero, perchè non emette nessuna forma di radiazione. Il campo di gravità generato da questi oggetti astronomici è così intenso che la velocità di fuga per un fotone (la velocità necessaria per sfuggire all’attrazione gravitazionale), è superiore alla velocità della luce stessa. la distanza minima di avvicinamento possibile è detta orizzonte degli eventi: oltre questo limite qualsiasi cosa è destinata a precipitare nel buco nero senza più avere la possibilità di venirne fuori.

Ci troviamo dunque di fronte ad un forte limite: non è possibile in alcun modo inviare o ricevere segnali dalle regioni centrali del buco nero. Allo stato attuale dunque non c’è modo di sapere cosa ci sia effettivamente all’interno.

Gli sviluppi futuri

Per ora non abbiamo ancora a disposizione tecnologie sufficientemente avanzate in grado di condurci fisicamente all’interno di un buco nero, come avviene in Interstellar, film di Christopher Nolan. Non sappiamo neanche quale sia la corretta composizione dei buchi neri. 

Possiamo azzardare qualche ipotesi osservando le stelle di neutroni, stelle poco massicce collassate in piccoli corpi dal diametro di qualche decina di chilometri. Qui la materia, data l’altissima densità, si presenta sotto forma di plasma: non ci sono più i nuclei atomici ma un unico mezzo formato essenzialmente da neutroni ed elettroni molto vicini gli uni agli altri. 

Siccome i buchi neri, data la massa e le dimensioni ancora più ridotte, hanno densità ancora superiore a quella delle stelle di neutroni, possiamo immaginare che siano composti da un “plasma quantistico” formato da quark e gluoni, componenti elementari di protoni e neutroni.

La ricerca in questo senso è ancora aperta. Singoli quark non sono mai stati isolati neanche al CERN, in quanto particelle elementari fortemente instabili, eper sopravvivere devono condensarsi sempre in coppie o terzetti. Dunque appare chiaro come i buchi neri possano fornire nuove prospettive in molti campi: sia in fisica delle particelle, sia in cosmologia.

Se si riuscirà mai a far luce sulla loro natura, forse sarà possibile superare, o quanto meno migliorare, gli attuali paradigmi teorici alla base della fisica. Intanto, proprio Qualche giorno fa, i ricercatori dell’università di Harvard, sotto la guida del radioastronomo Maciek Wielgus, hanno aggiornato l’immagine di M87 dello scorso anno. Hanno infatti dato vita ad un vero e proprio video in cui si riesce a percepire la rotazione del materiale attorno al buco nero stesso.

Diego Bottoni

(Immagine di copertina tratta da Wikimedia)


Per approfondire

  • Video di un buco nero (Focus)
  • Il video dell’ombra del buco nero di M87:
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