Esplorazione dei buchi neri: misteri e scoperte dell'universo

In questo appunto di Geografia Astronomica vengono analizzati i buchi neri. La Via Lattea è solo una delle oltre 100 miliardi di galassie del cosmo e il nostro Sole è soltanto una delle oltre 100 miliardi di stelle della Via Lattea. Abbiamo sempre pensato ad ogni stella, compreso il Sole, come a una luce benevola, nell'immensa notte cosmica. Tuttavia, ora sappiamo che l’universo può produrre anche una violenza, che va oltre ogni comprensione. In questo appunto è affrontato il viaggio nel lato oscuro dell’universo, fino al cuore di un buco nero.

Nascita di un buco nero: la teoria di Albert Einstein

Localizzare i buchi neri, così densi che nemmeno la luce può sfuggire alla loro gravità, sembra impossibile. Come trovare qualcosa che è nascosto nel buio? Cercando i segni che ne tradiscono la presenza. I telescopi Swift, ad esempio, sono in grado di scovare gli oggetti più sfuggenti del cosmo. Si tratta di strumenti progettati per registrare scariche di radiazione ad alta energia. I raggi gamma non penetrano l'atmosfera terrestre, ma quassù, nello spazio, Swift ha un punto di vista privilegiato. L'emissione di questi raggi segnala la nascita di un buco nero, ovvero, quando una grande stella muore, con un’esplosione gloriosa, detta supernova. È una deflagrazione così potente che è luminosa quanto un miliardo di miliardi di soli. Ciò che innesca questa catena di eventi è la forza che domina il cosmo: la gravità. Gli scienziati vedevano la gravità come una sorta di misterioso potere che i corpi celesti, come il Sole, proiettano nello spazio. Ma se fosse lo spazio stesso a dare alla gravità la sua forza? L'uomo che ha avanzato quest'ipotesi è Albert Einstein. Per lui, lo spazio è un tessuto flessibile e quadridimensionale, da lui ribattezzato “spazio-tempo”. La gravità è la deformazione indotta nel tessuto dalla massa dei corpi. Avviene una curvatura nello spazio-tempo: gli oggetti vengono attratti da questo solco e non fanno altro che cadere nell'orbita.
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Orizzonte degli eventi in un buco nero

La teoria di Einstein è un'intuizione rivoluzionaria, tanto più se è portata all'esterno. Fino a che punto può deformarsi lo spazio? Gli studiosi hanno trovato la risposta in uno specifico tipo di stella, dalla massa oltre 25 volte quella del nostro Sole: la Supergigante rossa. Al suo interno, l'azione della gravità porta la temperatura a oltre un miliardo di gradi centigradi. Gli elementi più leggeri si fondono in altri più pesanti: l’idrogeno diventa elio, poi carbonio e, infine, ferro. Il nucleo diventa così pesante da ripiegarsi su se stesso. Di conseguenza, il collasso del nucleo emana un'onda d'urto che si propaga all'esterno. La stella sprofonda all'interno dello spazio-tempo, mentre un buco nero si forma nel suo centro e la gigante diventa una Supernova. Quando la polvere si deposita, quello che rimane è un buco nero: un oggetto con una massa pari a un milione di volte quella della Terra, ma un milione di volte più piccolo. Un buco nero è letteralmente un foro aperto nel tessuto dello spazio-tempo. Ma se ci avviciniamo, la gravità diventa un vento impetuoso. È come solcare un fiume in piena che ci trascina sempre più velocemente verso una cascata. Più ci avviciniamo, più la corrente aumenta, procedendo verso il punto di non ritorno, che, nel linguaggio dei cosmologi, è l'orizzonte degli eventi. Oltre questo limite non c'è più scampo, neanche per un raggio di luce.

Il buco nero M87

Osservando le galassie oltre la nostra Via Lattea, gli astronomi hanno scoperto che quasi tutte hanno al loro centro un immenso buco nero. Ce n'è una che spicca sulle altre, codificata come “M87”. Essa ha un buco nero con una massa pari a 4 miliardi di volte quella del Sole, che ha lasciato la sua firma: un potente getto, emanato quasi alla velocità della luce. Ma come ha avuto origine? Per scoprirlo rimandiamo indietro l'orologio cosmico di 14 miliardi di anni, fino alla nascita dell'universo, attraverso il Big Bang. Per capire da dove hanno avuto origine gli enormi buchi neri, gli scienziati hanno ricreato gli albori dell'universo con delle complesse simulazioni al computer, che permettono di ripercorrere il lungo e costante processo di formazione delle galassie. In principio, la gravità domina il cosmo e comincia a inglobare i gas primordiali. Non si tratta di nubi inerti. Esse, infatti, mentre diventano sempre più dense, si surriscaldano. Nel corso di milioni di anni, diventano tanto calde da divampare: nascono così le prime stelle. Terminano il loro ciclo impotenti supernove, mentre i nuclei collassano a formare buchi neri. Miliardi di anni dopo e a distanza di miliardi di anni luce, il telescopio Swift scruta il cosmo in cerca di quelle antiche supernove. Questo ci aiuta a capire che ne è stato di quei buchi neri, formatisi sulla loro scia. Gli astronomi credono che alcuni si siano ingranditi facendosi strada verso il centro delle galassie ospitanti, dove hanno fatto letteralmente il pieno di gas e stelle. Alcuni buchi neri sono diventati ancora più grandi, inglobandone degli altri. La collisione tra galassie è un atto che va in scena ormai da oltre 2 miliardi di anni. Le due galassie diventano una, i buchi neri al loro centro si fondono in un'unica centrale nucleare di dimensioni straordinarie. I gas emessi restano bloccati, si surriscaldano ed esplodono in onde devastanti. Le onde d'urto dei buchi neri super massicci possono viaggiare per migliaia di anni luce nello spazio. Essi possono porre le basi di una nuova galassia, definendone forma ed estensione e dotandola di qualcosa di inaspettato. I buchi neri potrebbero essere uno degli strumenti che seminano nelle galassie gli elementi generati dalle stelle, come carbonio, ossigeno e ferro, i mattoni fondamentali del sistema solare e della vita stessa.