Quello con i buchi neri sembra diventato ultimamente un appuntamento fisso sulle nostre pagine. Del resto, pochi argomenti in campo astronomico sono in grado di catalizzare l’attenzione e di affascinare come questi mostri cosmici.

È di questi giorni la notizia dell’accensione dell’Event Horizon Telescope (EHT), strumento di cui abbiamo parlato in un precedente articolo, e per questo motivo vorrei cogliere l’occasione per tornare sul tema in maniera un po’ diversa dal solito e allo stesso tempo farci trovare preparati alla pioggia di informazioni che riceveremo quando i primi dati di EHT cominceranno ad arrivare, tra alcuni mesi.

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A proposito dei buchi neri infatti si è detto molto, anche sulle pagine di Tom’s, e penso che parecchi lettori bene o male siano a conoscenza dei dettagli sulla loro formazione, struttura e quali siano le più recenti teorie e scoperte a riguardo. Perciò vorrei ora tentare di riportare alcune curiosità in proposito, quegli aspetti forse meno noti e curiosi riguardo i black hole, o che magari mi sembrano meno chiari al pubblico, anche basandomi sui commenti che mi è capitato di leggere dai precedenti articoli.

Ovviamente capirete che sui buchi neri sono stati scritti libri interi, e molti altri ne dovranno essere scritti, pertanto l’elenco che vi riporterò non ha alcuna presunzione di completezza, ma si basa semplicemente su ciò che mi viene in mente di curioso o interessante a riguardo. Sarebbe poi interessante avere un contributo da parte vostra, per poter capire quanto di tutto ciò vi era già noto e cosa invece vi piacerebbe approfondire. Cosa che, eventualmente, potremmo pensare di fare in un articolo successivo.

Densità dell’acqua

Questa è una delle cose più incredibili che mi sia capitato di ascoltare da un professore con cui mi trovai a discutere di buchi neri ai tempi dell’università. Sappiamo infatti che questi oggetti, frutto del collasso di un nucleo stellare non più sostenuto da reazioni di fusione, generano una densità elevatissima, superiore a quella della materia nucleare e che a tutti gli effetti è da considerarsi infinita. Questo è uno dei motivi per cui si parla di singolarità.

black holeblack hole

Se però consideriamo un buco nero supermassiccio, come quelli che si trovano al centro delle galassie, è possibile fare un ragionamento diverso. Questi mostri infatti hanno un’origine del tutto diversa, e molti sono i modelli in proposito. In ogni caso, affinché un qualsiasi corpo possa diventare un buco nero è sufficiente che la sua materia venga compressa al di sotto del suo raggio di Schwarzschild, proporzionale alla massa del buco nero.

Per questo motivo, se calcoliamo la densità media del buco nero supermassiccio in base al rapporto tra massa e volume (definito dall’orizzonte degli eventi) può risultare, per alcuni black hole particolarmente massivi, che essa risulti persino inferiore a quella dell’acqua. Ovviamente è un calcolo che lascia il tempo che trova, poiché essendo impossibile varcare l’orizzonte degli eventi e ritornare indietro, non ha troppo senso parlare di densità. Ad ogni modo è un risultato che da un certo punto di vista fa impressione e fa riflettere ancor più sulla stranezza di questi oggetti.

Teoria prima dell’osservazione

Forse non tutti sapranno che prima ancora di trovarne evidenze osservative, l’esistenza dei buchi neri era stata prevista in maniera del tutto teorica, venendo fuori da una soluzione delle equazioni di campo di Einstein in Relatività Generale. In realtà, già verso la fine del XVIII secolo gli scienziati John Michell e Pierre-Simon de Laplace avevano proposto l’esistenza di “stelle oscure” in cui la velocità di fuga fosse superiore a quella della luce.

Leggi anche: Saltando tra i buchi neri, da Einstein a Hawking

Fu solo in seguito alla pubblicazione della Relatività Generale comunque che il concetto di buco nero per come lo conosciamo oggi venne a galla, grazie al lavoro di Karl Schwarzschild. Egli trovò una soluzione delle equazioni di campo, per l’appunto, descrivente un campo gravitazionale generato da una singolarità.

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A quell’epoca tuttavia, si conosceva ancora poco riguardo l’evoluzione stellare, e oggetti compatti come stelle di neutroni e buchi neri erano considerati solo dal punto di vista teorico. Solamente verso la fine degli anni ’60 si cominciarono a ottenere le prime evidenze osservative riguardo alla reale esistenza di questi strani oggetti, come stadi finali del percorso vitale di una stella. Da lì in poi, le scoperte si susseguirono numerose.

Calvi o capelloni

Molti sono abituati a pensare ai buchi neri come una sorta di pozzi senza fondo, descrivibili tramite un solo parametro significativo, ovvero la loro massa, e in cui qualunque informazione vi precipiti viene perduta per sempre.

In realtà le cose non stanno esattamente così. Dalla “semplice” soluzione di Schwarzschild, infatti, si è passati col tempo a ottenere soluzioni più complesse per le equazioni di Einstein, e si è così arrivati a capire che i buchi neri possono essere caratterizzati, oltre che dalla loro massa, anche dalla carica elettrica e dal momento angolare.

Questo significa che, teoricamente, i buchi neri sono oggetti ruotanti e dotati di un campo elettromagnetico e pertanto tutta l’informazione che è possibile ottenere sta in questi tre parametri. Da qui la famosa espressione “i buchi neri non hanno i capelli“, dove per capelli si intende appunto qualsiasi tipo di informazione fisica che non sia ascrivibile alle tre quantità suddette.

radiazione di hawkingradiazione di hawking

In realtà le più recenti teorie riguardo l’evaporazione dei black hole per radiazione di Hawking e la creazione di quelli che vengono definiti “soft-hair”, a causa di effetti quantistici, hanno messo in dubbio questo paradigma. Al tempo stesso queste ipotesi fornirebbero una possibile soluzione al fatto che le teorie sui buchi neri visti come inesorabili inghiottitori di informazione, massa ed energia, sarebbero in contrasto con i principi della termodinamica e le leggi della meccanica quantistica.

Dalla distruzione alla creazione

Un altro aspetto estremamente interessante a proposito dei buchi neri è il ruolo che essi svolgerebbero nell’economia globale di una galassia, in riferimento ovviamente ai black hole supermassicci che si trovano nel nucleo centrale. È un fatto ormai acclarato che questi mostri da milioni di volte la massa del Sole siano in grado di inghiottire intere stelle, anche a causa delle elevatissime densità stellari presenti nei bulge delle galassie.

A volte però può accadere che una stella si trovi a passare molto vicino all’orizzonte degli eventi, senza tuttavia attraversarlo del tutto. In questo caso, i fortissimi effetti mareali causati dalla forza di attrazione gravitazionale del buco nero possono deformare la stella e “stirarla” in direzione dell’orizzonte degli eventi (chi ha detto spaghettificazione?), generando quella che viene definita come “supernova accidentale”.

In effetti la stella viene completamente disintegrata senza lasciare traccia alcuna, se non una nube di materia che viene in parte risucchiata nel gorgo e in parte, per una sorta di effetto fionda, sparata verso l’esterno della galassia a grande velocità. Ciò crea delle onde d’urto, le quali danno luogo a un aumento della pressione e un riscaldamento del gas e pulviscolo che incontrano sul loro cammino, racchiuso nelle nubi interstellari.

Questo fenomeno avvia i processi che portano alla formazione di nuove stelle (e quindi nuovi pianeti e magari della vita stessa, volendo volare un po’ con l’immaginazione). Non è un caso infatti che le cosiddette “starburst galaxies”, ovvero quelle galassie che mostrano un tasso di formazione stellare molto più elevato del normale, siano quelle in cui il nucleo centrale ha una notevole attività.

Buchi neri di massa intermedia

Comunemente si conoscono due tipi di buchi neri: quelli stellari, nati dalla morte di una stella molto massiccia in seguito alla sua esplosione in supernova, con masse di 3-4 volte quella del Sole, e quelli supermassicci, siti nel centro delle galassie e formatisi forse dal collasso diretto di immense nubi di gas (ci sono anche altre teorie in realtà, ma a dirla tutta rimane ancora un mistero). Questi ultimi possono raggiungere masse anche di centinaia di milioni di volte quelle del Sole.

Foto Andreus DepositphotosFoto Andreus Depositphotos
Buco nero: Foto: © Andreus / Depositphotos

Alcune evidenze sia teoriche che osservative però, dimostrerebbero la possibile esistenza anche di buchi neri di massa “intermedia”, compresa tra le decine e le centinaia di masse solari. La loro esistenza servirebbe a spiegare alcuni fenomeni attualmente poco chiari, come le velocità delle stelle in alcuni ammassi globulari o forti emissioni di raggi X da sorgenti ignote, ma come questi possano formarsi è ancora oggetto di discussione. Un’ipotesi potrebbe essere quella del lento accrescimento di materia da parte di buchi neri stellari, oppure la coalescenza tra singoli black hole (con conseguente emissione di onde gravitazionali).

Per il momento mi fermerei qui in questa panoramica, dato che di carne al fuoco ce n’è già molta, ma come detto in precedenza, mi piacerebbe sapere quali sono le vostre curiosità sull’argomento. Alle domande migliori e più interessanti vorrei poi tentare di dare risposte, nei limiti del possibile e in base alle mie conoscenze, in un prossimo articolo. Eventualmente, se la cosa dovesse piacere, potremmo pensare di fare lo stesso anche su altri argomenti a tema astronomico. Dateci dentro!

Antonio D’Isanto è dottorando in astronomia presso l’Heidelberg Institute for Theoretical Studies in Germania. La sua attività di ricerca si basa sulla cosiddetta astroinformatica, ovvero l’applicazione di tecnologie e metodologie informatiche per la risoluzione di problemi complessi nel campo della ricerca astrofisica. Si occupa inoltre di reti neurali, deep learning e tecnologie di intelligenza artificiale ed ha un forte interesse per la divulgazione scientifica. Da sempre appassionato di sport, è cintura nera 2°dan di Taekwondo, oltre che di lettura, cinema e tecnologia. Siamo felici di annunciarvi che collabora con Tom’s Hardware per la produzione di contenuti scientifici.