Un’introduzione ai buchi neri

I buchi neri sono oggetti nell’universo con così tanta massa intrappolata all’interno dei loro confini che hanno campi gravitazionali incredibilmente forti. In effetti, la forza gravitazionale di un buco nero è così forte che niente può sfuggire una volta che è entrato. Nemmeno la luce può sfuggire a un buco nero, è intrappolata all’interno insieme a stelle, gas e polvere. La maggior parte dei buchi neri contengono molte volte la massa del nostro Sole e quelli più pesanti possono avere milioni di masse solari.

Questa immagine simulata al computer mostra un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. La regione nera al centro rappresenta l’orizzonte degli eventi del buco nero, dove nessuna luce può sfuggire alla presa gravitazionale del massiccio oggetto. La potente gravità del buco nero distorce lo spazio intorno ad esso come uno specchio da luna park. La luce delle stelle sullo sfondo viene allungata e imbrattata mentre le stelle sfiorano il buco nero.
NASA, ESA e D.Coe, J. Anderson e R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (Università della California, Berkeley) e J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany).

Nonostante tutta quella massa, l’effettiva singolarità che forma il nucleo del buco nero non è mai stata vista o immaginata. È, come suggerisce la parola, un minuscolo punto nello spazio, ma ha MOLTA massa. Gli astronomi sono in grado di studiare questi oggetti solo attraverso il loro effetto sul materiale che li circonda. Il materiale attorno al buco nero forma un disco rotante che si trova appena oltre una regione chiamata “l’orizzonte degli eventi”, che è il punto gravitazionale di non ritorno.

La struttura di un buco nero

Il “mattone” di base del buco nero è la singolarità: una regione precisa dello spazio che contiene tutta la massa del buco nero. Attorno ad esso c’è una regione dello spazio da cui la luce non può sfuggire, da cui il nome al “buco nero”. Il “bordo” esterno di questa regione è ciò che forma l’orizzonte degli eventi. È il confine invisibile dove l’attrazione del campo gravitazionale è uguale alla velocità della luce. È anche il punto in cui la gravità e la velocità della luce sono bilanciate.

La posizione dell’orizzonte degli eventi dipende dall’attrazione gravitazionale del buco nero. Gli astronomi calcolano la posizione di un orizzonte degli eventi attorno a un buco nero usando l’equazione Rs = 2GM / c2. R è il raggio della singolarità, G è la forza di gravità, M è la massa, c è la velocità della luce. 

Tipi di buchi neri e come si formano

Esistono diversi tipi di buchi neri e si verificano in modi diversi. Il tipo più comune è noto come buco nero di massa stellare. Questi contengono all’incirca fino a poche volte la massa del nostro Sole e si formano quando grandi stelle della sequenza principale (10-15 volte la massa del nostro Sole) esauriscono il combustibile nucleare nei loro nuclei. Il risultato è una massiccia esplosione di supernova che fa esplodere gli strati esterni delle stelle nello spazio. Ciò che resta dietro crolla per creare un buco nero.

La concezione di un artista di un buco nero di massa stellare (in blu) probabilmente si è formata quando una stella supermassiccia è collassata, nutrendosi di materiale espulso da una stella vicina.
ESA, NASA e Felix Mirabel)

Gli altri due tipi di buchi neri sono i buchi neri supermassicci (SMBH) e i micro buchi neri. Un singolo SMBH può contenere la massa di milioni o miliardi di soli. I micro buchi neri sono, come suggerisce il nome, molto piccoli. Potrebbero avere forse solo 20 microgrammi di massa. In entrambi i casi, i meccanismi per la loro creazione non sono del tutto chiari. I micro buchi neri esistono in teoria ma non sono stati rilevati direttamente.

Si è scoperto che i buchi neri supermassicci esistono nei nuclei della maggior parte delle galassie e le loro origini sono ancora oggetto di accesi dibattiti. È possibile che i buchi neri supermassicci siano il risultato di una fusione tra buchi neri di massa stellare più piccoli e altra materia. Alcuni astronomi suggeriscono che potrebbero essere creati quando una singola stella altamente massiccia (centinaia di volte la massa del Sole) collassa. In ogni caso, sono abbastanza massicci da influenzare la galassia in molti modi, dagli effetti sui tassi di nascita delle stelle alle orbite di stelle e materiale nelle loro immediate vicinanze.

Molte galassie hanno buchi neri supermassicci nel loro nucleo. Se stanno attivamente “mangiando”, emettono getti enormi e sono noti come nuclei galattici attivi.
NASA / JPL-Caltech

I micro buchi neri, d’altra parte, potrebbero essere creati durante la collisione di due particelle ad altissima energia. Gli scienziati suggeriscono che ciò avvenga continuamente nell’atmosfera superiore della Terra ed è probabile che accada durante gli esperimenti di fisica delle particelle in luoghi come il CERN. 

Come gli scienziati misurano i buchi neri

Poiché la luce non può fuoriuscire dalla regione intorno a un buco nero influenzato dall’orizzonte degli eventi, nessuno può realmente “vedere” un buco nero. Tuttavia, gli astronomi possono misurarli e caratterizzarli dagli effetti che hanno sull’ambiente circostante. I buchi neri vicini ad altri oggetti esercitano su di essi un effetto gravitazionale. Per prima cosa, la massa può anche essere determinata dall’orbita del materiale attorno al buco nero.

Un modello di un buco nero circondato da materiale ionizzato riscaldato. Questo potrebbe essere l ‘”aspetto” del buco nero nella Via Lattea.
Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

In pratica, gli astronomi deducono la presenza del buco nero studiando come si comporta la luce intorno ad esso. I buchi neri, come tutti gli oggetti massicci, hanno un’attrazione gravitazionale sufficiente per piegare il percorso della luce mentre passa. Quando le stelle dietro il buco nero si muovono rispetto ad esso, la luce emessa da esse apparirà distorta o le stelle sembreranno muoversi in un modo insolito. Da queste informazioni è possibile determinare la posizione e la massa del buco nero.

Ciò è particolarmente evidente negli ammassi di galassie dove la massa combinata degli ammassi, la loro materia oscura e i loro buchi neri creano archi e anelli dalla forma strana piegando la luce di oggetti più distanti mentre passa. 

Gli astronomi possono anche vedere i buchi neri dalla radiazione emessa dal materiale riscaldato intorno a loro, come radio o raggi X. La velocità di quel materiale fornisce anche importanti indizi sulle caratteristiche del buco nero che sta cercando di sfuggire.

Radiazione di Hawking

L’ultimo modo in cui gli astronomi potrebbero rilevare un buco nero è attraverso un meccanismo noto come radiazione di Hawking. Prende il nome dal famoso fisico teorico e cosmologo Stephen Hawking, la radiazione di Hawking è una conseguenza della termodinamica che richiede la fuga di energia da un buco nero.

L’idea di base è che, a causa delle interazioni naturali e delle fluttuazioni nel vuoto, la materia verrà creata sotto forma di un elettrone e di un antielettrone (chiamato positrone). Quando ciò si verifica vicino all’orizzonte degli eventi, una particella verrà espulsa dal buco nero, mentre l’altra cadrà nel pozzo gravitazionale.

Per un osservatore, tutto ciò che viene “visto” è una particella emessa dal buco nero. La particella sarebbe vista come dotata di energia positiva. Ciò significa, per simmetria, che la particella caduta nel buco nero avrebbe energia negativa. Il risultato è che quando un buco nero invecchia, perde energia e quindi perde massa (secondo la famosa equazione di Einstein, E = MC2, dove E = energia, M = massa e C è la velocità della luce).

Modificato e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.