Buco nero

Effettivamente i buchi neri sono oggetti particolari con molte strane proprietà, ma molti libri ed articoli giornalistici hanno enfatizzato i loro aspetti esotici, mettendo in ombra la loro natura fondamentalmente semplice.

La descrizione data in seguito fu elaborata per la prima volta dal matematico francese Pierre Simon de Laplace nel 1796, non sono quindi un'invenzione recente ! Prima di parlare dei buchi neri è necessario fare una premessa sulla gravità.

Cosè la gravità ?

Ogni atomo o gruppo di atomi ha una proprietà chiamata massa, che definisce quanta materia c'è in un oggetto. Sulla superficie terrestre, la gravità esercita su tutti i corpi un'attrazione verso il basso, dandoci la sensazione del peso. Sulla Luna, questa attrazione, o peso, è solo 1/6 di quella terrestre: il peso dipende quindi dal luogo dove ci troviamo, la massa invece, è una proprietà intrinseca di tutti gli oggetti.

Nel 17esimo secolo Isaac Newton descrisse la gravità dicendo che una massa attira a se un'altra massa, con una forza che dipende dalle masse in gioco e dalla distanza delle stesse. Nel 1915 Albert Einstein portò ad un cambiamento drammatico della nostra idea di gravità ma, per farsi un'idea dei buchi neri, la descrizione formulata da Newton è sufficiente.

La gravità quindi, è una forza universale di attrazione, che provoca "la caduta" nel senso più generale del termine e porta ad attirare tra loro, allo stesso modo in cui la Terra tende ad attirarci a se facendoci "cadere", gli oggetti come le stelle o le galassie.

Cos'è un buco nero ?

Essendo un matematico, Laplace risolse questo problema per tutti i corpi sferici, non solo per la Terra. Trovò una formula molto semplice che ci dice che la velocità di fuga V è data da:

dove G è una costante che definisce l'intensità della gravità, M è la massa o la quantità di materiale ed R il raggio. Questa formula ci dice che oggetti piccoli ma massivi ( con un alto valore di M ed un basso valore di R ), hanno valori elevati della velocità di fuga. Per esempio, se potessimo comprimere la Terra ad ¼ delle dimensioni attuali, la velocità di fuga raddoppierebbe. Questa semplice deduzione, ha dato un risultato uguale a quello ottenuto dall'intera Teoria della Relatività.

La luce viaggia ad una velocità di oltre 1 miliardo di chilometri all'ora e nel 1905 Albert Einstein provò che nulla può viaggiare ad velocità superiore a questa. La formula appena vista, può essere cambiata per sapere quale raggio deve avere un oggetto, la cui velocità di fuga corrisponde a quella della luce.

dove c è la velocità della luce. Questo raggio particolare R è noto come "raggio di Schwarzschild" in onore dell'astronomo tedesco che per primo lo determinò partendo dalla Teoria della relatività. In questo modo, sappiamo che il raggio di Schwarzschild della Terra è inferiore ad un centimetro, rispetto al suo raggio attuale di 6.357 chilometri. Nella tabella sottostante sono elencati i valori per alcuni altri oggetti astronomici.

Può sembrare strano paragonare la luce ad un razzo vettore o ad una palla, ma fu proprio Einstein a dimostrare che la luce può essere considerata come un insieme di particelle , chiamate fotoni, dotate di massa o più correttamente energia, in virtù della famosa formula

che pone in relazione l'energia E e la massa M. I fotoni viaggiano sempre alla stessa velocità, quella ovviamente della luce, ma quando partono da un oggetto dotato di gravità, perdono energia e, ad un osservatore esterno, appaiono arrossati. Se i fotoni provengono da un buco nero, questa perdita di energia sarà completa e diventeranno completamente invisibili.

Se anche la luce non viaggia ad una velocità sufficiente a raggiungere il valore della velocità di fuga, ( e niente abbiamo detto viaggia più veloce della luce ), nessun segnale di alcun tipo potrà fuggire e l'oggetto sarà "nero". L'unica indicazione della presenza di questo oggetto sarà data dalla sua attrazione gravitazionale. Sulla sua superficie, questo oggetto si comporta proprio come si dovrebbe comportare un oggetto della sua massa, se potessimo camminarci, la sua gravità cioè, tenderebbe a farci "cadere" ( come avviene in misura enormemente minore sulla Terra ) : ecco il "buco" !

La velocità della luce è di 299.800 km/s; 11 km/s corrisponde a 40.000 km/ora; 147.000.000 km è circa il raggio dell'orbita terrestre intorno al Sole.

Dove possiamo trovare i buchi neri ?

Ci sono alcuni oggetti che sono buoni candidati alla carica di buco nero:

• Tutte le stelle splendono e si evolvono grazie alla spinta gravitazionale che tende a comprimere la materia, spinta bilanciata dalla pressione generata dalla fornace nucleare nel nucleo che tende ad espanderla. Una volta che la fornace termina il suo combustibile, evento naturale in una stella, la pressione decresce, perdendo la sua battaglia con la gravità e la stella collassa. Brevemente, gli astronomi ritengono che a questo punto alla stella possano accadere solo tre cose, dipende tutto dalla sua massa. Stelle meno massive del Sole collassano formando stelle nane bianche del diametro di poche centinaia di chilometri. Stelle di massa tra una e quattro masse solari, possono diventare stelle di neutroni, di pochi chilometri di raggio. Le poche stelle di massa superiore a quattro masse solari, non possono collassare oltre il raggio di Schwarzschild e diventano buchi neri. I buchi neri quindi possono essere i resti di stelle massive.
• Molti astronomi ritengono che galassie come la Via Lattea si formarono da vaste nubi di gas che è collassato ed ha formato le stelle. Oggi possiamo osservare le stelle concentrate in massima parte nel suo centro, il nucleo galattico. È possibile che nel "cuore" di questo nucleo ci fosse "troppa" materia per formare una stella "normale", o che le stelle che si formarono si trovarono troppo vicine l'una all'altra e si fusero insieme a formare un buco nero. È quindi plausibile concepire che buchi neri estremamente massivi, l'equivalente di centinaia di milioni di masse solari, possano esistere al centro di alcune galassie.

Possiamo osservare un buco nero ?

Se vi è della materia intorno al buco nero che potrebbe essere attirata dalla sua gravità, primo o poi accadrà e ci sono buone probabilità che questa caduta provochi dei segnali rilevabili, non direttamente dal buco nero ma dalla regione circostante. Molte stelle non sono solitarie come il Sole, ma si trovano in coppia, in piccoli o numerosi gruppi. Se due stelle hanno masse differenti, la più massiva terminerà il suo carburante più in fretta e diventerà un buco nero, mentre la seconda brucerà più lentamente. Da quest'ultima, il buco nero potrà attirare dei gas che diverranno estremamente caldi, con temperature dell'ordine di milioni di gradi e splenderanno non nella luce visibile ma nella radiazione X. Questa radiazione avrà però un effetto osservabile nella luce emessa dalla stella normale. Poiché la stella ed il buco nero orbiteranno intorno ad un baricentro comune, ci si aspetta di rilevare delle variazioni regolari nella luminosità e nella radiazione X emessa.

Esistono delle sorgenti di radiazione X che hanno tutte le predette caratteristiche. Sfortunatamente è impossibile distinguere un buco nero da una stella di neutroni a meno che riusciamo a stabilire che la massa della stella di neutroni è eccessiva per questo tipo di oggetto.

Le cose differiscono se cerchiamo un buco nero massivo nel nucleo di una galassia. È possibile in questo caso che una stella possa essere inghiottita dal buco nero. L'attrazione gravitazionale sulla stella sarebbe in questo caso così potente da dilaniarla facendola letteralmente "schizzare" in tutte le direzioni. Alcuni frammenti cadranno sul buco nero, incrementandone ulteriormente la massa, altri produrranno lampi luminosi, di onde radio e raggi X.

È questa la caratteristica che osserviamo in quelle galassie particolari note come quasar, e quello che potrebbe avvenire in qualche regione del nostro nucleo galattico.

Rielaborazione ed adattamento dall'I.S.D. Royal Greenwich Obs. by M.F. con il permesso dell'autore.