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.
