Pruriti scientifici: la formazione dei Buchi Neri. Del Dott. Ilia Musco

“Tut­ti san­no che una cosa è impos­si­bi­le da rea­liz­za­re, fin­ché arri­va uno sprov­ve­du­to che non lo sa e la inventa”
Albert Ein­stein (1879 – 1955)

Nell’ultimo arti­co­lo abbia­mo par­la­to del­la for­za di gra­vi­tà e di come essa sia la respon­sa­bi­le dell’attrazione tra cor­pi. Abbia­mo anche visto come i suoi effet­ti diven­ga­no impor­tan­ti quan­do si con­si­de­ra­no mas­se mol­to gran­di, come pia­ne­ti, stel­le, galas­sie etc. etc.

New­ton ha com­pre­so l’origine di que­sta for­za e ha dato all’umanità una for­mu­la mate­ma­ti­ca con cui cal­co­lar­ne l’intensità, men­tre Ein­stein ci ha spie­ga­to che la gra­vi­tà pro­du­ce una “cur­va­tu­ra del­lo spa­zio tem­po” e anche come, nell’universo fisi­co, nul­la pos­sa muo­ver­si nel­lo spa­zio ad una velo­ci­tà mag­gio­re di quel­la del­la luce.

A que­sto pun­to pro­via­mo a chie­der­ci cosa suc­ce­de quan­do la for­za di gra­vi­tà di un cor­po è tale che la velo­ci­tà di fuga dal­la sua super­fi­cie rag­giun­ge o addi­rit­tu­ra supe­ra i 300.000 km/s?

Sto­ri­ca­men­te il pri­mo a far­si que­sta doman­da fu, nel 1783, un astro­no­mo ingle­se qua­si con­tem­po­ra­neo di New­ton, di nome John Mit­chell (1724 – 1793), mem­bro del­la pre­sti­gio­sa Royal Astro­no­mi­cal Socie­ty (l’articolo dell’epoca lo tro­va­te qui).

Mit­chell con­clu­se sem­pli­ce­men­te (e giu­sta­men­te!) che nul­la, nep­pu­re la luce, potreb­be in tal caso sfug­gi­re da quel cor­po, rica­den­do su di esso. E sic­co­me la luce rifles­sa da un ogget­to è ciò che ci per­met­te di veder­lo, esso diven­te­rà invi­si­bi­le, nel sen­so che appa­ri­rà come un cor­po per­fet­ta­men­te nero in con­tra­sto con l’ambiente cir­co­stan­te dal qua­le con­ti­nue­rà a pro­ve­nir­ci inve­ce luce. Otter­re­mo cioè quel­lo che vie­ne oggi chia­ma­to “buco nero”.

Que­sta idea restò sepol­ta per qua­si due seco­li in quan­to si pen­sa­va che un tale ogget­to non potes­se esi­ste­re real­men­te in Natu­ra, e lo stes­so Ein­stein, la cui teo­ria ripor­tò in evi­den­za que­sta pos­si­bi­li­tà, all’inizio non vi credette.

Dob­bia­mo atten­de­re gli stu­di di Robert Oppe­n­hei­mer (1904 – 1967) nel 1939 sul­la con­tra­zio­ne gra­vi­ta­zio­na­le del­le stel­le affin­ché l’idea di un tale ogget­to venis­se pre­sa seria­men­te in con­si­de­ra­zio­ne dal­la comu­ni­tà scien­ti­fi­ca dell’epoca. Oppe­n­hei­mer, dive­nu­to famo­so come “padre” del­la bom­ba ato­mi­ca, stu­diò cosa acca­de ad una stel­la quan­do si esau­ri­sce il com­bu­sti­bi­le nuclea­re al suo inter­no, gra­zie al qua­le emet­te luce e si man­tie­ne in equi­li­brio idro­di­na­mi­co (tra la pres­sio­ne inter­na dovu­ta alle rea­zio­ni nuclea­ri e la for­za di gravità).

Quan­do que­sto acca­de la stel­la entra nell’ultima fase del­la sua vita e va incon­tro ad un pro­ces­so di con­tra­zio­ne, det­to col­las­so gra­vi­ta­zio­na­le, che pro­du­ce un aumen­to del­la den­si­tà con con­se­guen­te dimi­nu­zio­ne del­le sue dimen­sio­ni. Gli stu­di di Oppe­n­hei­mer dimo­stra­ro­no che, se la stel­la ha una mas­sa suf­fi­cien­te, supe­rio­re a cir­ca 3,4 vol­te quel­la del sole, non vi è nes­su­na pres­sio­ne lega­ta alla strut­tu­ra del­la mate­ria in gra­do di arre­sta­re il col­las­so gra­vi­ta­zio­na­le e tut­ta la mas­sa si con­cen­tra in un pun­to di den­si­tà infi­ni­ta, chia­ma­to sin­go­la­ri­tà, un vero e pro­prio “buco” nel­la strut­tu­ra geo­me­tri­ca del­lo spa­zio-tem­po come si può vede­re in figura.

Furo­no così get­ta­te le basi fisi­co-teo­ri­che per l’esistenza dei Buchi Neri, il cui ter­mi­ne ven­ne conia­to sol­tan­to 1968. Fino ad allo­ra si par­la­va di “stel­la nera”. Pos­sia­mo a que­sto pun­to met­te­re insie­me i vari con­cet­ti visti fin qui defi­nen­do un Buco Nero come la regio­ne del­lo spa­zio-tem­po nel­la qua­le l’in­te­ra­zio­ne gra­vi­ta­zio­na­le è così gran­de che qual­sia­si cosa ne attra­ver­si il con­fi­ne, chia­ma­to “oriz­zon­te degli even­ti” oppu­re “Rag­gio di Sch­warz­shild” dal nome di colui che per pri­mo ne cal­co­lo le dimen­sio­ni (vedi for­mu­la), vie­ne attrat­ta e irri­me­dia­bil­men­te catturata.

Nul­la dall’interno del­la regio­ne deli­mi­ta­ta dall’orizzonte degli even­ti, le cui dimen­sio­ni sono diret­ta­men­te pro­por­zio­na­le alla mas­sa M del buco nero, sfug­ge alla fata­le attra­zio­ne del­la gra­vi­tà e quin­di nes­sun segna­le può per­ve­nir­ci da esso: il buco nero è quin­di, come dice il nome stes­so, per sua stes­sa natu­ra in quan­to nero, invisibile.

[Nota di appro­fon­di­men­to: L’argomento è in real­tà mol­to più com­ples­so in quan­to l’utilizzo del­la paro­le invi­si­bi­le nel pre­sen­te con­te­sto di rife­ri­sce al fat­to che “clas­si­ca­men­te” un buco nero non emet­te alcun tipo di radia­zio­ne elet­tro­ma­gne­ti­ca, cioè luce. Nel 1974 però Ste­phen Haw­king sco­prì, appli­can­do le pro­prie­tà del­la mec­ca­ni­ca quan­ti­sti­ca alla rela­ti­vi­tà gene­ra­le, che un buco nero “eva­po­ra” nel tem­po emet­ten­do una for­ma di radia­zio­ne ter­mi­ca, ana­lo­ga a quel­la di un cor­po che si raf­fred­da, e che la velo­ci­tà di eva­po­ra­zio­ne è inver­sa­men­te pro­por­zio­na­le al qua­dra­to del­la mas­sa del buco nero. Que­sto gli per­mi­se di affer­ma­re che “i buchi neri in real­tà non sono così neri”!] 

Da quan­do l’esistenza teo­ri­ca dei buchi neri e sta­ta sco­per­ta, risol­ven­do le equa­zio­ni del­la teo­ria del­la rela­ti­vi­tà gene­ra­le di Ein­stein, ci si è resi con­to che que­sti ogget­ti, che di pri­mo acchi­to pos­so­no sem­bra­re sem­pli­ce­men­te il risul­ta­to eso­ti­co di un’equazione mate­ma­ti­ca, sono i can­di­da­ti idea­li per il cen­tro di mol­te galas­sie come la nostra, dove si pen­sa ci sia un buco nero mol­to gros­so respon­sa­bi­le del­la gran­de atti­vi­tà ener­ge­ti­ca che osserviamo.

Ma cosa suc­ce­de nei pres­si di un buco nero? Come si com­por­ta la luce in uno spa­zio tem­po così pro­fon­da­men­te pie­ga­to su se stesso?

A que­sta e altre doman­de rispon­de­re­mo nel pros­si­mo appun­ta­men­to, e rimar­re­mo affa­sci­na­ti dall’esistenza di appa­ren­ti para­dos­si che in real­tà tali non sono se abban­do­nia­mo il sen­so comu­ne con sui sia­mo soli­ti osser­va­re la real­tà che ci circonda.