Buchi Neri: Cosa Sono e Come Si Formano

Capire cosa sono i buchi neri è fondamentale per comprendere il funzionamento dell’Universo.

Pensa che esiste un buco nero anche al centro della nostra galassia, e tutti i corpi celesti presenti nella Via Lattea ruotano attorno a esso. Si tratta di un buco nero supermassivo, e se non sai cosa significa non preoccuparti: continua a leggere e nel giro di qualche minuto lo imparerai!

Oggi cercheremo infatti di spiegare in modo semplice cosa sono i buchi neri, ma anche come si formano e quali sono le loro principali caratteristiche.

Impareremo le basi di concetti quali la singolarità e l’orizzonte degli eventi di un buco nero, senza addentrarci nella complessa matematica che ci sta dietro.

Vedremo anche come la scoperta (teorica) della radiazione di Hawking ha messo in crisi relatività generale e meccanica quantistica!

Cosa Sono i Buchi Neri?

Cosa Sono i Buchi Neri

Un buco nero è un oggetto astronomico caratterizzato da un campo gravitazionale talmente intenso da non permettere né alla radiazione elettromagnetica né tantomeno alla materia di sfuggire.

Perfino la luce viene inghiottita dai buchi neri, e non può uscirne poiché la velocità di fuga da un buco nero è maggiore della velocità della luce (che come si sa è pari a circa 300000 km/s).

Questo rende i buchi neri non visibili, dato che non emettono luce alcuna. Inoltre ciò implica anche che qualsiasi oggetto (per esempio una stella) che venga risucchiato all’interno di un buco nero non sarà mai più osservabile. Anzi, per dirla tutta un osservatore esterno non sarà più in grado di sapere alcuna informazione relativa a un qualsiasi corpo attirato all’interno di un buco nero.

E’ possibile però determinare l’esistenza di un buco nero attraverso le modificazioni che esso induce nell’area attorno a esso. E come vedremo tra poco, un buco nero è stato addirittura “fotografato”!

Il nucleo centrale di un buco nero è detto singolarità, e nei prossimi capitoli approfondiremo di cosa si tratta.

Proprietà dei Buchi Neri

Un buco nero è caratterizzato da 3 proprietà:

Tutta la massa di un buco nero si concentra nella singolarità, inoltre un buco nero può essere carico elettricamente e può ruotare (buchi neri rotanti).

Per semplificare è possibile considerare solo buchi neri di Schwarzschild, ovvero non rotanti e non carichi elettricamente.

Schema Semplificato di un Buco Nero Non Carico e Non Rotante

Orizzonte degli Eventi

L’orizzonte degli eventi delimita l’area di spazio attorno a un buco nero dalla quale nulla, né materia né radiazione elettromagnetica può sfuggire.

Ne deriva immediatamente che è possibile attraversare l’orizzonte degli eventi soltanto in un senso: dall’esterno verso l’interno. Niente può invece oltrepassare l’orizzonte degli eventi dall’interno (diciamo dal centro del buco nero) verso l’esterno.

Come abbiamo detto infatti la velocità di fuga è superiore alla velocità della luce nel vuoto, che è la velocità più alta possibile in natura secondo la relatività ristretta di Einstein.

Per un buco nero di Schwarzschild l’orizzonte degli eventi è una sfera con al centro il nucleo del buco nero. Il raggio di tale sfera è detto raggio di Schwarzschild e dipende dalla massa del buco nero stesso (chiaramente il raggio aumenta al crescere della massa) secondo la seguente formula:

r = GM/c²

dove r è il raggio di Schwarzschild, G è la costante di gravitazione universale, M è la massa del buco nero e c è la velocità della luce.

La formula del raggio di Schwarzschild vale anche per i buchi neri rotanti, ma per questi occorre considerare anche una superficie aggiuntiva detta ergosfera, ove ruota la materia che costituisce il cosiddetto disco di accrescimento del buco nero. All’interno dell’ergosfera tale materia raggiunge velocità prossime a quella della luce. Il materiale che costituisce il disco di accrescimento può per esempio provenire da una stella che si trovi “nei pressi” del buco nero, ed è destinato a percorrere traiettorie a spirale per essere infine risucchiato nel buco nero.

Qui sotto ecco la prima eccezionale immagine di un buco nero, in particolare del buco nero supermassiccio presente al centro della galassia Messier 87, catturata dal telescopio EHT (The Event Horizon Telescope) e resa pubblica nel 2019.

Nella foto la parte nera centrale è l’ombra proiettata dal buco nero, che come spiegato da ESO (European Southern Observatory), è più grande dell’orizzonte degli eventi di circa 2,5 volte.

Buco Nero Supermassiccio al Centro della Galassia Messier 87 - Credit: EHT Collaboration
Buco nero supermassivo al centro della galassia Messier 87 – Credit:EHT Collaboration

Cosa Succede nella Singolarità?

Per buchi neri non rotanti e non carichi la singolarità è il punto centrale della sfera delimitata dall’orizzonte degli eventi, che contiene tutta la massa del buco nero. Dato che in teoria la singolarità ha volume nullo, la sua densità risulta infinita.

Tutto ciò che attraversa l’orizzonte degli eventi finisce necessariamente nella singolarità, e viene in essa compresso da una forza di gravità infinita.

Ciò significa che la materia che viene attratta all’interno dell’orizzonte degli eventi non fa altro che andare ad aumentare la massa totale del buco nero.

Si tratta insomma di un vero e proprio pozzo gravitazionale dal quale nulla può uscire!

Spaghettificazione

Con il termine spaghettificazione si intende il processo a cui si suppone vengano sottoposti gli oggetti che, superato l’orizzonte degli eventi, si trovino in caduta verso la singolarità.

Visto che la parte dell’oggetto più vicina al nucleo del buco nero viene attratta da una forza gravitazionale maggiore rispetto alla parte più lontana, l’oggetto stesso inizia ad allungarsi e a diventare via via più sottile, proprio come uno spaghetto.

A un certo punto le forze di marea disgregano l’oggetto in molteplici pezzi sempre più piccoli, e come già detto tutto finisce poi nella singolarità.

La spaghettificazione avviene poiché avvicinandosi al centro di un buco nero si viene sottoposti a enormi forze gravitazionali che agiscono in spazi ridotti.

Anche sul nostro pianeta l’attrazione gravitazionale varia al variare della distanza dal centro della Terra. I nostri piedi subiscono una attrazione maggiore rispetto alla testa, ma si tratta ovviamente di una differenza davvero minima della quale nemmeno ci accorgiamo.

Classificazione dei Buchi Neri in Base alla Massa

Vediamo adesso quali tipi di buchi neri possiamo distinguere in relazione alla loro massa:

Tipo di Buco NeroMassa (ordine di grandezza)
Supermassiccioda milioni a miliardi di masse solari
Intermediomigliaia di masse solari
Stellareda 3 a qualche decina di masse solari
Microfino alla massa della Luna

Il più grande buco nero stellare che conosciamo è LB-1 B, la cui massa è circa pari a 70 masse solari.

Buchi Neri: Come Si Formano

Vediamo ora come si forma un buco nero stellare.

I buchi neri stellari si formano quando una stella molto massiccia arriva a fine vita, cioè quando nella stella non rimane più sufficiente idrogeno per supportare le reazioni nucleari che contrastano la forza gravitazionale.

La stella a questo punto si raffredda rapidamente, e questo a sua volta provoca una riduzione del suo volume.

Se la massa della stella morente è sufficientemente grande la forza gravitazionale è tale che nessuna altra forza riesce a contrastarla, e il collasso della massa stellare diventa infinito e porta alla creazione di un nuovo buco nero.

In caso contrario, se la massa della stella non è sufficiente a innescare questo processo, essa si trasformerà in una nana bianca o in una stella di neutroni.

Per esempio il Sole non ha una massa sufficiente per diventare un giorno un buco nero, e il suo destino è quello di trasformarsi in una nana bianca. Se vuoi saperne di più sulle dimensioni del Sole, leggi questo nostro approfondimento.

Questa spiegazione va bene per i cosiddetti buchi neri stellari, ma non si applica ai giganteschi buchi neri supermassivi!

Buchi Neri Supermassicci

Caratteristiche dei Buchi Neri Supermassivi

I buchi neri supermassivi sono caratterizzati da una massa enorme, che può tranquillamente arrivare a essere pari a molti miliardi di masse solari.

L’enorme forza di gravità esercitata dai buchi neri supermassivi (tipicamente rotanti) fa in modo che la materia da essi attratta formi immensi dischi di accrescimento nella zona attorno all’orizzonte degli eventi. La materia del disco segue traiettorie a spirale avvicinandosi gradualmente all’orizzonte degli eventi. Prima di passare attraverso l’orizzonte degli eventi, a causa dell’attrito e delle intense forze gravitazionali le particelle di materia possono raggiungere temperature di milioni di gradi, iniziando ad emettere radiazione elettromagnetiche sotto forma di raggi X. Una volta oltrepassato l’orizzonte degli eventi, come già sappiamo nulla può più fuoriuscire e la materia risucchiata diventa non più osservabile.

Alcuni buchi neri supermassicci emettono spettacolari getti di plasma dai loro poli. Sono detti getti relativistici e sono talmente potenti che possono estendersi per molte migliaia di anni luce. I ricercatori stanno studiando attivamente tali getti per capirne esattamente la natura e il meccanismo di generazione.

Una curiosità relativa ai buchi neri supermassivi riguarda l’intensità delle forze di marea. Per il semplice fatto che l’orizzonte degli eventi di un buco nero supermassiccio è molto lontano dalla singolarità, le forze di marea a cui un osservatore che superasse l’orizzonte degli eventi sarebbe sottoposto sarebbero piuttosto deboli rispetto a quelle generate da buchi neri meno massivi nella stessa area. Tali forze mareali diverrebbero estreme molto oltre l’orizzonte degli eventi, cioè solo in prossimità del centro del buco nero supermassivo.

Si ritiene che al centro della maggior parte delle galassie sia presente un buco nero supermassiccio.

Formazione dei Buchi Neri Supermassicci

Ma come si formano i buchi neri supermassivi?

Il collasso di una grande stella non è infatti sufficiente per giustificare l’esistenza di buchi neri con massa pari a milioni o miliardi di masse solari!

Ci sono varie teorie che cercano di spiegare l’origine di buchi neri supermassicci, la più immediata delle quali parte da un buco nero stellare, che poi man mano aumenta la propria massa nel corso del tempo risucchiando materia al proprio interno.

Nella rappresentazione qui sotto (Credit:ESO/L. Calçada) è possibile distinguere in colori brillanti il disco di accrescimento composto di materiale estremamente caldo, circondato da una nube toroidale di polveri. Facilmente individuabili sono anche i getti relativistici che fuoriescono dai poli del buco nero.

Rappresentazione Artistica di un Buco Nero Supermassivo - Credit: ESO/L. Calçada
Rappresentazione di un buco nero supermassiccio – Credit:ESO/L. Calçada

Buco Nero Supermassivo Sagittarius A*

Al centro della Via Lattea è stata rilevata una sorgente di raggi X che si ritiene essere un buco nero supermassivo denominato Sagittarius A* (Sgr A*).

La massa di Sgr A* è stata stimata in circa 4,1 milioni di masse solari. Stiamo chiaramente parlando di una quantità di massa assolutamente enorme!

Una delle prove relative all’esistenza di un buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea è rappresentato dalla stella S2, detta anche S0-2, che percorre un’orbita completa attorno al centro galattico in appena circa 15 anni. Questo è un tempo davvero breve, se pensiamo che il Sole invece ci mette ben 200 milioni di anni!

La distanza media di S2 dalla luminosissima radiosorgente Sagittarius A* (Sgr A*) è di appena 17 ore luce (ovvero 134,6 unità astronomiche). Lo spazio all’interno dell’orbita di S2 è, in maniera molto approssimativa, paragonabile allo spazio occupato dal nostro “piccolo” sistema Solare.

Questo dimostra che l’intera massa di Sgr A* è confinata all’interno di uno spazio molto limitato!

Ecco una immagine del buco nero supermassivo Sgr A* presa dall’osservatorio della NASA Chandra X-Ray Observatory (Credit:NASA/CXC/Caltech/M.Muno et al.):

Immagine di Sagittarius A* - Credit: NASA/CXC/Caltech/M.Muno et al.
Immagine di Sagittarius A* – Credit:NASA/CXC/Caltech/M.Muno et al.

Nel caso tu voglia approfondire le dimensioni della nostra galassia, ti proponiamo un nostro articolo in merito.

Buchi Neri: Deformazione dello Spaziotempo

Come è noto la relatività generale di Einstein prevede che una massa sia in grado di distorcere lo spaziotempo creando in esso una curvatura.

I buchi neri per via della loro enorme massa sono in grado di provocare deformazioni tali nello spaziotempo che perfino la luce, passando nelle vicinanze dell’orizzonte degli eventi, può arrivare a girare più volte attorno all’orizzonte degli eventi stesso. Questo crea un noto fenomeno per cui vediamo le immagini di certe galassie distorte e moltiplicate più volte.

Non è soltanto lo spazio a essere deformato dai buchi neri, ma anche il tempo viene rallentato avvicinandosi all’orizzonte degli eventi!

Mentre un astronauta che si avvicinasse all’orizzonte degli eventi non percepirebbe alcun cambiamento a livello temporale, un secondo osservatore esterno fermo e lontano dal buco nero vedrebbe il moto dell’astronauta come sempre più rallentato man mano che la distanza dall’orizzonte degli eventi diminuisce.

Se lo stesso astronauta rimanesse per un certo periodo di tempo nelle vicinanze dell’orizzonte degli eventi (senza oltrepassarlo naturalmente!) e poi tornasse sulla Terra, egli apparirebbe ai nostri occhi come “rimasto più giovane” rispetto a noi.

I Buchi Neri Evaporano? Radiazione di Hawking

Radiazione di Hawking: Esempio Particella Antiparticella

Nel 1974 Stephen Hawking ha dimostrato a livello teorico che i buchi neri emettono una radiazione termica.

Per cercare di comprendere meglio questo fenomeno, si fa spesso l’esempio di una coppia particella antiparticella che si genera proprio in prossimità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Attenzione però che questo è soltanto un esempio molto semplificato, non ciò che succede veramente!

A causa di fluttuazioni quantistiche queste coppie particella antiparticella si generano continuamente nel vuoto, ma quando questo accade vicino all’orizzonte degli eventi è possibile che una particella venga risucchiata all’interno del buco nero, mentre la seconda si allontani portando con sé energia, e tale energia viene sottratta al buco nero.

La radiazione di Hawking viene emessa in maniera inversamente proporzionale alla massa del buco nero. Minore è la massa del buco nero, maggiore è la quantità di radiazione emessa e più rapidamente il buco nero perde massa. Questo può sembrare controintuitivo, ma si spiega con il fatto che un buco nero con massa maggiore ha l’orizzonte degli eventi assai distante dalla singolarità, quindi a tale distanza la forza di gravità è meno forte (ed è meno probabile che una particella venga inghiottita).

I Buchi Neri Evaporano?

Quindi possiamo dire che effettivamente i buchi neri evaporano!

L’evaporazione dei buchi neri per effetto della radiazione di Hawking è un processo lentissimo, e inoltre occorre pensare al fatto che come sappiamo i buchi neri sono in grado di inghiottire enormi quantità di materia e di radiazione, accrescendo la loro massa.

Se anche supponessimo di essere in condizioni ideali, tali per cui nulla entra nel buco nero, un buco nero stellare impiegherebbe un tempo molto più lungo dell’attuale età dell’universo per evaporare completamente!

Curiosamente la temperatura di un buco nero aumenta man mano che esso perde massa per effetto della radiazione di Hawking. Si pensa che verso la fine del processo di evaporazione il buco nero possa raggiungere temperature tali da esplodere in un lampo di raggi gamma.

Rappresentazione Artistica di un Buco Nero Supermassiccio che Inghiotte una Stella - Credit: ESO/M. Kornmesser
Rappresentazione di un buco nero supermassivo che inghiotte una stella – Credit:ESO/M. Kornmesser

Paradosso dell’Informazione dei Buchi Neri

La meccanica quantistica prevede che l’informazione quantistica di qualsiasi oggetto si conservi in ogni caso.

Per esempio anche quando una lettera cartacea brucia nel fuoco, secondo la meccanica quantistica è possibile attraverso le sue ceneri sapere come era fatta inizialmente la lettera.

Sappiamo già che, in accordo alla teoria della relatività generale, quando qualcosa viene risucchiato all’interno di un buco nero non può più uscirne, quindi tale corpo non è più osservabile dall’esterno. A questo punto, per mettere d’accordo meccanica quantistica e relatività generale, si potrebbe ipotizzare che l’informazione venga conservata da qualche parte all’interno del buco nero stesso.

Ma la scoperta di Hawking relativa al fatto che i buchi neri evaporano ha posto un grosso problema! Secondo il teorema dell’essenzialità infatti, la radiazione di Hawking non dovrebbe in alcun modo essere correlata a ciò che è entrato nel buco nero.

La conseguenza di ciò è che l’informazione sarebbe distrutta irrimediabilmente, in palese contrasto con la meccanica quantistica!

Nel corso del tempo sono state proposte diverse possibili soluzioni al paradosso dell’informazione dei buchi neri.

Una delle proposte che hanno avuto maggiore successo è quella secondo cui ciò che entra nel buco nero lasci una sorta di impronta bidimensionale sull’orizzonte degli eventi. L’informazione si conserverebbe quindi in particelle a due dimensioni sulla superficie dell’orizzonte degli eventi.

Quando la radiazione di Hawking viene emessa, porterebbe con sé tale contenuto informativo presente sull’orizzonte degli eventi (essendo quindi correlata in qualche modo a ciò che nel tempo è entrato all’interno del buco nero).

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