I buchi neri

La storia Come si formano Dove si trovano Proprietà fisiche dei buchi neri Classificazione L’orizzonte degli eventi Cosa c’è dentro La radiazione di Hawking Il buco di tarlo

I buchi neri sono corpi celesti massivi, talmente massivi il cui campo gravitazionale è così intenso da non lasciare sfuggire né la materia, nè tutto ciò che gli capita a tiro. Nemmeno la radiazione elettromagnetica, la luce.
FINE

Vabbè che faccio, finisco qui? Certo che no.

La storia

La prima soluzione delle equazioni di Einstein che descrive un buco nero fu trovata dall’astronomo tedesco Karl Schwarzschild sempre nel 1915 e per molto tempo si pensò che non avesse significato fisico. Nel 1939, invece, Robert Oppenheimer e Hartland Snyder mostrarono con calcoli teorici che una nube di gas, contraendosi a causa dell’attrazione gravitazionale, forma un buco nero.

Solo negli anni Sessanta le osservazioni astronomiche e gli studi teorici mostrarono che la vita di una stella di massa sufficientemente grande può culminare in una esplosione e nel successivo collasso della sua parte più interna.

La loro esistenza è credibile perché questi corpi sono previsti dalla relatività generale di Einstein formulata nel 1915.

Come si formano

In teoria un buco nero è ciò che resta di una Stella molto grande, caratterizzata da una massa dieci volte superiore a quella del Sole, che a fine del suo ciclo vitale si contrae, aumenta la sua densità e crolla sotto il proprio peso concentrando la propria massa in un unico punto detto, appunto, buco nero.
“Detta in maniera più scientifica la deformazione dello spaziotempo dovuta ad una massa così densa è tale che la luce subisce, in una simile situazione limite, un redshift gravitazionale infinito. In altre parole, la luce perde tutta la sua energia cercando di uscire dal buco nero e finisce per caderci dentro”.
Come giganteschi ‘imbuti cosmici’, i buchi neri ‘divorano’ la materia che li circonda, risucchiandola. Quando questo accade, la materia raggiunge temperature altissime ed emette raggi X. E’ attraverso questi segnali che è possibile accorgersi dell’esistenza di un buco nero.

I buchi neri non sono visibili direttamente, perché neanche la luce può sfuggire loro. Il buco nero, non essendo in grado di emettere radiazione, non può essere visto essendo totalmente oscuro. In pratica apparirà come una sfera nera nello spazio.

Dove si trovano

Le osservazioni astronomiche indicano che al centro di molte galassie, inclusa la nostra, si trovano buchi neri giganteschi: hanno massa di milioni (o centinaia di milioni) di volte maggiore di quella solare, e si sono formati e ingranditi catturando gas e stelle.

Proprietà fisiche dei buchi neri

I modelli matematici derivabili come soluzioni dell’equazione di campo della relatività generale si riconducono a quattro tipi di buchi neri.

1) – Buco nero di Schwarzschild. sono i buchi neri più semplici, sono caratterizzati da una massa M e dall’assenza di carica elettrica J. Sono anche piuttosto improbabili nella realtà, poiché un oggetto dotato anche di una minima rotazione una volta contratto in buco nero deve aumentare enormemente la sua velocità angolare in virtù del principio di conservazione del momento angolare.
2) – Buco nero di Kerr. Deriva da oggetti rotanti e privi di carica elettrica, caso che presumibilmente corrisponde alla situazione reale. Buco nero risultante dal collasso di una stella in rotazione nel quale la singolarità non è più un punto, ma assume la forma di un anello a causa della rotazione.
3) – Buco nero di Kerr-Newman. Riguarda la situazione in cui si ha sia rotazione sia la carica elettrica ed è la soluzione più generale.
4) – Buco nero di Reissner-Nordström. È il caso di un buco nero dotato di carica elettrica ma non rotante.

Classificazione dei buchi neri

I buchi neri vengono classificati in base alla loro massa M, indipendentemente dal loro momento angolare Q (rende conto della rotazione nello spazio di un corpo massivo).
1) – I buchi neri supermassicci sono i più grandi tipi di buchi neri caratterizzati da una massa milioni di volte superiore rispetto a quella del Sole.
2) – I buchi neri di massa intermedia si trovano al centro degli ammassi stellari. Hanno massa di circa mille masse solari. L’origine di questa tipologia di buchi neri è incerta: alcuni studiosi affermano che essi si siano formati in seguito al collasso gravitazionale di una stella, altri studi li ritengono il risultato della collisione di stelle massicce in ammassi stellari.
3) – I buchi neri stellari, come la maggior parte dei buchi neri, sono caratterizzati da tre grandezze fondamentali: massa (circa trenta volte superiore rispetto a quella del Sole), carica e momento angolare. Questa tipologia di buchi neri ha origine dal collasso gravitazionale di una Stella massiccia.
4) – I micro buchi neri sono anche chiamati buchi neri microscopici e sono caratterizzati da una massa circa uguale a quella del Sole. I micro buchi neri tendono ad evaporare velocemente a causa della loro piccola dimensione mediante un processo noto come radiazione di Hawking. Tale processo porta all’improvvisa emissione di particelle elementari nel momento in cui il buco nero improvvisamente esplode.

Perché anche la luce non sfugge ad un buco nero, l’orizzonte degli eventi

Se lanciamo una palla da baseball in aria, per quanta velocità gli diamo, cadrà sempre per terra. Per mandarla fuori dalla atmosfera bisogna vincere l’attrazione gravitazionale della Terra. In altre parole è necessario imprimere una velocità limite oltre la quale la pallina sfugge alla attrazione terrestre.

Se lanciamo una palla da baseball in aria, per quanta velocità gli diamo, cadrà sempre per terra. Per mandarla fuori dalla atmosfera bisogna vincere l’attrazione gravitazionale della Terra. In altre parole è necessario imprimere una velocità limite oltre la quale la pallina sfugge alla attrazione terrestre.

Questo significa cha a parità di massa M, Vf aumenta se il raggio del corpo diminuisce, quindi ci sarà un valore del raggio, che indicheremo con RS, per cui la velocità di fuga diventa uguale a quella della luce.
Se un oggetto celeste ha raggio inferiore a RS, neanche un segnale luminoso potrà essere inviato dalla sua superficie verso il mondo esterno, e quindi sarà letteralmente nero, «un buco nero».

La superficie di raggio RS è l’orizzonte degli eventi.
L’orizzonte degli eventi è pertanto una superficie immaginaria caratterizzata dal fatto che in ogni suo punto la velocità di fuga e la velocità della luce si equivalgono.

Per completare il discorso va aggiunto che secondo la fisica teorica, affinché un corpo possa essere definito buco nero, il suo raggio deve essere inferiore al raggio di Schwarzschild. Rs = 2MG/c². Dove c è la velocita della luce.

La forma dell’orizzonte degli eventi 

Inoltre, se un raggio di luce passa abbastanza vicino all’orizzonte degli eventi, ma comunque al di fuori di esso, il raggio viene incurvato a causa dell’attrazione del campo gravitazionale del buco nero riuscendo a proseguire il suo percorso. Se invece entra all’interno dell’orizzonte degli eventi non potrà più uscire.

Cosa c’è dentro un buco nero? Che fine fanno gli oggetti che cadono nel buco nero?

Per scoprire cosa c’è dentro un buco nero bisognerebbe andarci dentro. Il fatto è che una volta entrati si viene stritolati, tutto quello che vi entra non ne esce più fuori.

Al centro di un buco nero, come descritto dalla relatività generale, si trova una singolarità gravitazionale, a temperatura e pressione infinita. Una regione in cui la curvatura dello spaziotempo diventa infinita.

La regione singolare ha volume pari a zero. Si può dimostrare che la regione singolare contiene tutta la massa del buco nero. La regione singolare può quindi essere pensata come avente densità infinita.

Dato che la singolarità è infinitamente piccola (nulla), non può avere una struttura. Perciò essa non può contenere alcuna informazione. Tutti i dati fisici relativi a eventuali particelle che rimangono intrappolate dal buco nero vanno persi per sempre.

Questa era la visione su cui si è basata da circa trenta anni l’astrofisica dei buchi-neri. Il punto è che la teoria dei quanti, che descrive lo spazio e la materia su scale atomiche, contraddice questa visione.
La teoria quantistica afferma che ogni processo fisico può evolvere al rovescio. Perciò le condizioni iniziali possono essere derivate dalle condizioni finali. Questo in parole povere significa che anche un buco nero può immagazzinare l’informazione dei processi fisici che rimangono intrappolati in esso.

Per superare questa contraddizione il famoso scienziato Stephen Hawking propone al suo posto un “orizzonte apparente“, in grado di bloccare la materia e l’energia solo temporaneamente, per rilasciarla poi in maniera più confusa.

La radiazione di Hawking

I buchi neri non sono immortali – dice Stephen Hawking – ma perdono particelle (e quindi massa), per colpa di una stranezza quantistica chiamata ”radiazione di Hawking“.
L’ingrediente principale della radiazione di Hawking non sarebbe costituito dal buco nero in sé, ma dalla curvatura dello spazio-tempo associata al suo “orizzonte degli eventi”.

In poche parole i buchi-neri “evaporerebbero” lentamente nello spazio circostante emettendo particelle nella regione dell’orlo, per così dire, del profondo precipizio gravitazionale favoriti dalla nuova idea dell’orizzonte degli eventi. Il buco-nero, alla fine di questo processo di evaporazione, finisce per diventare un piccolo nocciolo da cui fuoriesce radiazione, chiamata “radiazione di Hawking”, che potenzialmente porta con sé l’informazione in essa contenuta.

I buchi-neri non distruggono completamente la materia che vi rimane intrappolata. Piuttosto, i buchi-neri continuano a emettere radiazione per lunghi periodi di tempo e alla fine si “scoprono”, per così dire, rivelando l’informazione contenuta nella materia rimasta intrappolata in essi. Materia ed energia vengono alla fine rimessi dai buchi-neri in una altra forma alterata di materia ed energia. Tutto questo è stato dimostrato dallo stesso Hawkinb.

Oltre i buchi neri, il buco di tarlo

I buchi di tarlo sono un cunicolo, ovvero una specie di scorciatoia che permetterebbe di viaggiare da una parte all’altra dell’universo attraverso le pieghe dello spazio e del tempo superando i limiti imposti dalla velocità della luce.
Chiamati anche wormhole o più precisamente ponti di Einstein-Rosen sono contemplati nella teoria della relatività generale di Einstein, la stessa che ha contemplato i buchi neri.

L’idea è che ciò che entra in buco nero può poi uscire in una parte completamente diversa dell’universo. I buchi neri sarebbero l’ipotetico ingresso del tunnel spazio-temporale.
Inoltre, ipoteticamente consentirebbero anche l’invio di segnali nel passato e nel futuro. Peraltro, il termine wormhole (il buco del verme) rende bene l’idea. Se l’universo fosse una mela, normalmente ci si potrebbe spostare soltanto sulla sua superficie esterna. Ma se un verme scavasse un buco nel frutto – appunto il tunnel o wormhole – il percorso e il tempo per raggiungere punti distanti si abbrevierebbe.

Il problema è che questi cunicoli hanno una vita brevissima, non sufficiente per accogliere queste incursioni nello spazio-tempo.

La domanda è se i buchi di tarlo esistono realmente dal momento che non ci sono indizi nemmeno indiretti sulla loro esistenza.