Esplorazione dei buchi neri: origine, caratteristiche e osservazioni

Definizione e origine dei buchi neri

Si dice buco nero una concentrazione di materia associata ad un campo gravitazionale così intenso da far richiudere completamente lo spazio-tempo su se stesso, da avere una velocità di fuga pari a quella della luce, e tale dunque da non poter emettere nulla. Il primo a suggerire la possibile esistenza di "stelle oscure" fu John Michelle, un membro della Royal Society, che presentò le proprie idee alla società nel novembre 1973.

Caratteristiche e calcoli di Schwarzschild

La superficie di un buco nero è ciò che si chiama l'orizzonte degli eventi. In pratica è la superficie intorno al buco nero in cui la velocità di fuga è pari a quella della luce. Il centro è la singolarità, un punto con densità e massa infinita. La distanza tra la singolarità e l'orizzonte degli eventi è il raggio di Schwarzschild. Fu proprio l'astronomo tedesco Karl Swarzschild che nel 1916 risolse le equazioni di Einstein della teoria della relatività generale nel caso del buco nero. I calcoli mostravano che per ogni massa c'è un raggio critico, corrispondente a una distorsione così estrema dello spazio-tempo che, se la massa dovesse essere contratta al punto da essere totalmente contenuta entro tale raggio, lo spazio si richiuderebbe attorno all'oggetto separandolo dal resto dell'universo. Il raggio di Schwarzschild, per un corpo celeste di massa M qual si voglia, è dato dalla formula

dove G è la costante gravitazionale e c la velocità della luce. Il raggio di Schwarzschild per il sole è di 2,9 km; per la terra è di 0,88 cm. Ciò non significa che all'interno del Sole o della Terra sia presente un buco nero. I calcoli di Schwarzschild dimostrano questo: se il Sole potesse essere compresso fino ad occupare uno spazio sferico di raggio pari a 2,9 km e la Terra potesse essere compressa fino a diventare una palla di raggio minore di 0,88 cm, tanto l'uno quanto l'altra rimarrebbero permanentemente isolati dall'universo esterno, diventando buchi neri.

Formazione e identificazione dei buchi neri

Per decenni questa fu considerata una semplice curiosità matematica, poiché nessuno pensava che un oggetto fisico reale potesse contrarsi fino a raggiungere quegli stati di densità estrema richiesti per la formazione dei buchi neri. Per molto tempo nessuno si rese conto che un buco nero può formarsi a densità del tutto ordinarie, purché si abbia una quantità di materia sufficiente.

Osservazione e effetti dei buchi neri

Identificare senza dubbio un vero buco nero nel cielo è una questione sperimentale complessa, che ha tenuto occupati gli astrofisici per anni. Eppure ci sono degli effetti che il buco nero causa sull'universo esterno e che potrebbero essere utilizzati per scoprirlo e per identificarne la natura. Una possibilità è quella di osservare la deviazione dei raggi di luce che ci passano accanto. Siccome lo spazio è curvato vicino al buco nero, un raggio di luce che arriva da una stella lontana viene deviato. Può accadere che venga deviato proprio in direzione della Terra, nel qual caso noi osserveremo un'immagine distorta, o sdoppiata, o moltiplicata della stella lontana. Si tratta di un effetto di lente gravitazionale, che è stato molte volte osservato nel caso di galassie che generano immagini sdoppiate di quasar. Invece non è stato mai visto nel caso di stelle della nostra galassia, anche perché l'allineamento Terra, buco nero e stella lontana deve essere praticamente perfetto per generare un effetto osservabile. Migliori possibilità di osservare i buchi neri sono fornite da sistemi binari stretti formati da una stella e un buco nero. In questi casi la fortissima attrazione gravitazionale del buco nero cattura il gas della stella. Questo gas orbita sempre più strettamente intorno all'orizzonte degli eventi, diventando per attrito incandescente, fino quasi a superare i 2 milioni di gradi. Il risultato è un disco di accrescimento intorno al buco nero, che diventa una fortissima sorgente di raggi x.

Buchi neri nelle galassie

Oggi si ritiene che i buchi neri siano oggetti piuttosto comuni. Si pensa anche che al centro di molte galassie (compresa la nostra) si celi un buco nero gigantesco contenente milioni o miliardi di masse solari. Nel caso della nostra galassia sono infatti state osservate nubi di gas che si muovono ad alta velocità intorno al centro galattico. Per impedire a questo gas in moto così veloce di scappare dal centro galattico, è necessaria una fortissima attrazione gravitazionale, come quella generata da almeno un milione di masse solari concentrate in pochi anni luce. L'ipotesi che questo sia un enorme buco nero è ancora in discussione, e saranno necessarie molte altre misure prima di poterla verificare.