Cos'è un buco nero: rivoluzione per spazio, tempo e gravità

È il corpo celeste forse più affascinante e misterioso dell’universo. Fa curvare lo spazio e il tempo, che scorre diversamente, mentre anche le dimensioni scompaiono. La sua gravità è talmente forte da inghiottire tutto, luce compresa. Nasce quando muore una stella, ha un diametro di 90 miliardi di anni luce (ogni anno luce misura 9460,5 miliardi di chilometri) e una massa che può arrivare a miliardi di volte quella del Sole.

Stiamo parlando del buco nero: proviamo a darvene una prima spiegazione, dopo che una ricerca italiana pubblicata sulla rivista scientifica internazionale The Astrophysical Journal ha appena “contato” quanti ce ne sono nell’universo: 40 miliardi di miliardi: 4 seguito da 19 zeri! I buchi neri, sempre secondo questo studio, sono capaci da soli di attrarre l’1% della materia ordinaria in tutto lo spazio, quella visibile, diversa da quella invisibile ancora molto misteriosa. Stimarne il numero è stato possibile grazie ai dati finora pubblicati su quelli che si trovano nell’universo osservabile. I ricercatori indicano anche che i buchi neri stellari più massivi hanno origine principalmente da eventi negli ammassi stellari.

Che cosa sono i buchi neri

In alto vedete la prima storica foto del 2019 di un buco nero (le altre immagini dell'articolo sono ricostruzioni). Dopo che nel 2016 le onde gravitazionali hanno dimostrato l'esistenza di questi misteriosi oggetti cosmici, questa ne è la prima prova fotografica. Si tratta del buco nero Messier 87, al centro della galassia Virgo A (o M87), distante circa 55 milioni di anni luce. Prima di tutto questo, la loro esistenza era stata postulata teoricamente da calcoli ed esperimenti derivati dalla teoria della relatività di Einstein. Il loro massimo studioso è stato poi Stephen Hawking.

Prima di cercare di spiegarvi che cosa sono, va dato il merito a chi ha portato avanti lo studio appena pubblicato. La ricerca, firmato da Alex Sicilia con la supervisione del docente Andrea Lapi e del ricercatore Lumen Boco, è stata coordinata dalla Scuola internazionale superiore di studi avanzati (Sissa) di Trieste e condotta in collaborazione con l’Istituto per la fisica fondamentale dell’universo (Ifpu) di Trieste, l’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), l’Università di Padova, l’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) e le università britanniche di Southampton e Durham.

Partiamo dalla parola. Hanno una massa incredibilmente compressa che scatena una gravità spaventosa capace di attirare e apparentemente far scomparire qualsiasi cosa come un gigantesco “buco” dell’universo. Da qui non esce più nemmeno la luce: ecco perché appaiono “neri”. Non sono osservabili quindi direttamente, se ne può dedurre l’esistenza dagli effetti che producono sui corpi celesti “vicini”, che magari sta attraendo per “inghiottirli”.

Il mistero si infittisce: sono una sorta di collasso gravitazionale, in cui la gravità domina su tutte le altre forze. Lo spazio-tempo tende a concentrarsi in un punto, una “singolarità” con caratteristiche estranee anche alla relatività einsteniana: tutto tendente a un punto, con volume pari a zero e una massa e una densità infinite. Sono delimitati dall’“orizzonte degli eventi”, qualunque cosa passa questo confine non potrà più tornare indietro.

Oltre il confine dei buchi neri

Le parole vengono un po’ a mancare e la spiegazione deve correre continuamente e per forza sul filo del rasoio di un apparente paradosso. Dopo l’orizzonte degli eventi non si potrà avere più nessuna informazione, la massa si aggiunge a quella totale, infinita, del buco nero: chi entra dentro sparisce a tutti gli effetti, senza che si possa dirne altro. Ancora di più, in generale non si può sapere nulla di cosa accade dentro alle mura dell’orizzonte degli eventi.

Un buco nero deforma poi lo spazio e il tempo: già nelle sue vicinanze il tempo “esterno” scorre più lentamente. Tornare indietro da un buco nero e dalla sua attrazione gravitazionale è impossibile ma in linea teorica se un gemello avesse fatto un viaggio andata e ritorno fino ai suoi confini estremi, troverebbe il fratello gemello molto più vecchio di lui (se è ancora vivo) sulla Terra, dove il tempo scorreva molto più velocemente. Avete presente le ipotesi da fantascienza del film da Oscar Interstellar? Beh, per arrivarci il registra Christopher Nolan si è preso come consulente scientifico sul set un premio Nobel per la Fisica come Kip Thorne.

Da punti di vista esterni e distanti un oggetto in caduta verso un buco nero, avvicinandosi al suo orizzonte degli eventi, appare rallentato nella propria velocità fino ad impiegare un tempo infinito per raggiungerlo e a fermarsi nel momento in cui raggiunge l’orizzonte degli eventi. Il tempo di chi sta cadendo nel buco nero non viene però modificato mentre per simmetria tutto all’intorno si velocizza. Capito? No, è quasi impossibile, si possono usare solo metafore e paradossi, siamo anche il confine delle attuali ricerche scientifiche.

Come si forma un buco nero

I buchi neri sarebbero soprattutto figli della “morte” di stelle molto grandi. Quando queste hanno finito di bruciare per fusione nucleare oltre il 90% dell’idrogeno trasformandolo in elio, non posso continuare le reazioni atomiche. La forza gravitazionale, la gravità, che prima era in equilibrio, a questo punto prende il sopravvento e inizia a comprimere tutta la massa verso il suo centro. Con una densità che diventa ancora più elevata, può innescarsi la fusione nucleare dell'elio, con produzione di litio, azoto e altri elementi (si può arrivare fino al ferro).

La stella si espande e si contrae. L’esito finale, in caso di dimensioni più “piccole”, può essere una “nana bianca”, una stella che diventa sempre più fredda perché ha finito “il combustibile”. Ma l'esito, per quelli più grandi, può essere la gigantesca esplosione di una supernova. Con masse molto superiori a quelle del Sole (che non farà dunque questa fine), la pressione della materia raggiunge velocemente valori tali da creare un campo gravitazionale talmente intenso da non permettere più a nulla di sfuggire alla sua attrazione, neppure alla luce, appunto, con la formazione di un buco nero. Si ipotizza anche che al centro delle galassie ci siano dei buchi neri. Il che non vuol dire per forza che in un futuro lontanissimo si mangeranno tutte le stelle. Ricordiamoci, infatti, sempre che i buchi neri non fanno “sparire” tutto ma solo ciò che è vicino, anche se le influenze della loro potentissima gravità si sentono fino a molto, molto lontano.

Insomma, tutto è misterioso e al limite del paradosso con i buchi neri. Gli stessi studi scientifici sono in continua evoluzione. Al massimo qui noi abbiamo provato a dare una generalissima, prima spiegazione. Come dire, il mistero resta, anzi sembra ancora più profondo e affascinante.