I Buchi Neri

I Buchi Neri

I Buchi Neri (in inglese Black Holes) sono, tra gli oggetti esistenti nel nostro universo, quelli che maggiormente mettono a dura prova non solo la nostra immaginazione e il nostro senso comune, ma anche la stessa scienza, che per provare a descriverli ha dovuto formulare le ipotesi più sconvolgenti. D'altra parte, però, per alcuni aspetti i Buchi Neri non fanno altro che confermare la Relatività di Einstein, la Meccanica Quantistica e le loro sorprendenti conseguenze, addirittura prospettando la possibilità di conciliare le due teorie che, per quanto riguarda la gravità, sono tuttora in disaccordo.

Cos'è un Buco Nero

Il Buco Nero inizialmente fu pensato solamente come un modello teorico, e solo dopo fu effettivamente osservato nel cosmo. Il primo che se ne occupò in modo sistematico e che diede loro questo nome fu John Archibald Wheeler, nel 1967. La loro esistenza è prevista dalla Relatività, ma lo stesso Einstein era scettico circa la loro effettiva presenza nel cosmo. Attualmente il più grande esperto mondiale in materia è l'astrofisico Stephen Hawking, che ha proposto interessanti modelli per spiegarne alcuni aspetti tuttora paradossali. Per definizione un Buco Nero è una "singolarità gravitazionale", cioè un punto dello spazio-tempo in cui una massa finita ha una densità infinita: la gravità generata nello spazio circostante è di conseguenza così intensa che nulla può sfuggire, nemmeno la luce. La velocità di fuga associata a un buco nero, infatti, è superiore alla stessa velocità della luce, la più alta raggiungibile in natura. Da qui il nome: un Buco Nero non può essere osservato direttamente, ma si possono solo studiare i suoi effetti sullo spazio circostante; nel punto in cui un tale oggetto è localizzato noi vediamo solo il buio più totale. I Buchi Neri spesso sono paragonati ad "aspirapolveri" spaziali, o a dei "mostri" insaziabili, proprio perché ogni cosa che cade al loro interno non ha alcuna possibilità di fuga. Ma come nascono i Buchi Neri presenti nell'universo? Generalmente, se una supernova dopo l'esplosione  ha un nucleo residuo con una massa superiore a 3 masse solari, allora tale nucleo collassa su se stesso fino a creare una singolarità. Ma teoricamente qualsiasi corpo può diventare un Buco Nero: l'astronomo Karl Schwarzchild, infatti, partendo dalle equazioni di Einstein dimostrò che ogni oggetto può generare una singolarità se viene compresso in uno spazio con uno specifico raggio calcolabile partendo dalla massa dell'oggetto stesso secondo la formula:

R=2GM/c^2

dove G è la costante di gravitazione universale e c è la velocità della luce nel vuoto.

In base a questa formula, il Sole dovrebbe collassare in un raggio di 3 km per diventare un Buco Nero; il raggio di Schwarzchild per la Terra, invece, è di 9 mm, mentre un essere umano dovrebbe acquisire le dimensioni di un elettrone. Ma le enormi energie necessarie fanno sì che solo corpi giganteschi (le stelle appunto) possano diventare Buchi Neri. A seconda della massa, si hanno buchi neri "stellari", "intermedi" (fusione di più buchi neri stellari) e "supermassicci" (che forse occupano il centro di ogni galassia).

Le caratteristiche dei Buchi Neri

Il centro di un un Buco nero, come si è detto, presenta una "singolarità", cioè un punto in cui le soluzioni delle equazioni di Einstein assumono valori infiniti,  negando in questo modo alla fisica odierna di poter descrivere cosa accade in quella zona. Nella singolarità una massa finita è praticamente confinata in un volume nullo, portando la densità all'infinito. Lo spazio-tempo è così distorto che in un certo senso si "separa" dal cronotopo circostante. La forza di gravità, entro una certa distanza dal centro, è talmente intensa che nulla può sfuggire, nemmeno la luce: la superficie che delimita la zona dalla quale non è più possibile fuggire è detta "orizzonte degli eventi". Si è ipotizzato che spazio e tempo, dentro l'orizzonte degli eventi, in un certo senso si "scambino" i ruoli: lo spazio diventerebbe ad una sola dimensione, proprio come il tempo; in questo modo, come noi inevitabilmente andiamo verso il futuro, così in un Buco Nero un corpo non può far altro che avanzare verso la singolarità. A causa della fortissima gravità, che provoca una dilatazione dei tempi, un corpo che precipita verso il centro apparirebbe ad un eventuale osservatore esterno ed in quiete rispetto al Buco come immobile sull'orizzonte degli eventi. La luce in prossimità di un Buco viene deviata nel suo tragitto, provocando a volte fenomeni noti come "lenti gravitazionali": un oggetto posto dietro un Buco Nero, cioè, viene visto in una posizione diversa da quella reale, oppure viene "sdoppiato". Esistono diverse ipotesi circa la struttura di un Buco Nero, ma le più accreditate lo descrivono come un corpo sferico ruotante che può essere dotato o meno di carica elettrica. A causa della rotazione, la singolarità posta al centro potrebbe assumere una forma ad anello. Oltre all'orizzonte degli eventi, esisterebbe un'altra superficie esterna ad esso chiamata "ergosfera" o "sfera delle forze", dove corpi e radiazioni hanno ancora la possibilità di "scappare". Qui accade un altro fenomeno insolito: l'energia dei corpi entranti cambia di segno. Ipotizziamo che una particella di energia E0 entri nell'ergosfera e decada in due particelle di energia E1 e E2, dove E0=E1+E2; supponiamo, inoltre, che E1 rimanga intrappolata e cambi di segno la propria energia, mentre E2 riesca a fuggire: si avrebbe E0=-E1+E2, cioè E2=E1+E0. E2, quindi, diventerebbe più energetica di E0: ciò darebbe la possibilità teorica di utilizzare i buchi neri come fonti di energia. Ma l'aumento di energia avverrebbe a scapito dell'energia del Buco, che a lungo andare "evaporerebbe". A questo punto bisogna introdurre il concetto, apparentemente paradossale, secondo cui non esiste il vuoto assoluto. Nel vuoto, infatti, secondo la Meccanica Quantistica, sono prodotte in continuazione dal nulla coppie di particelle-antiparticelle che dopo un brevissimo istante si annichiliscono scomparendo. In base all'equivalenza massa-energia, la creazione di materia dal nulla avviene con consumo di energia. Se ciò avviene sull'orizzonte degli eventi, la coppia viene separata: una particella "cade" nel Buco, mentre l'altra fugge via con energia maggiore. Il campo gravitazionale del Buco, quindi, fornisce energia per due particelle ma ne riceve indietro solo una. Ciò a lungo andare fa diminuire l'energia del Buco fino alla completa evaporazione. Le particelle emesse costituiscono la cosiddetta "radiazione di Hawking", dalla quale in teoria si possono trarre informazioni sulla materia "inghiottita".

L'effetto "lente gravitazionale"

Ipotesi Estreme

Secondo la teoria, un Buco Nero ruotante dovrebbe essere formato da un tunnel collegato, forse, con altri luoghi in altri tempi, addirittura in ipotetici universi paralleli. Questi "ponti" spaziali vengono definiti "Wormhole", cioè"buchi di verme". Il nome deriva dal fatto che è possibile fare un'analogia con una mela ed un verme: quest'ultimo, per spostarsi sul frutto, può percorrere la superficie della mela, oppure scavare una scorciatoia in essa. Con un Wormhole, quindi, teoricamente si potrebbero compiere istantaneamente viaggi altrimenti neppure concepibili. Ma qual è l'altra estremità del Wormhole? Secondo alcuni studiosi questa sarebbe un "Buco Bianco", dal quale tutto fuoriesce e dove nulla può entrare, in esatta simmetria con il partner "Nero". La simmetria, tra l'altro, è una delle condizioni su cui si poggia la Teoria della Relatività. Nel nostro universo, però, a causa di determinati parametri, queste "fontane di antimateria" sarebbero molto instabili. E' stato invece osservato un "Buco Vuoto", nel quale c'è davvero un vuoto "assoluto" e non c'è traccia di nulla che sia materiale. Questa "bolla" di vuoto potrebbe addirittura espandersi e far collassare l'intero universo.

I Buchi Neri, in definitiva, sono oggetti estremamente affascinanti, ma per ora restano ancora lontanissimi da quella che è la comune percezione della realtà. 

Rappresentazione di un "wormhole"