I buchi neri

I buchi neri

Par. 1) L'ipotesi di Laplace

Affinché un corpo esca da un astro, vincendone l'attrazione gravitazionale, è necessario che esso sia dotato di un'opportuna energia cinetica che gli consenta la "fuga". Newton scoprì che tale energia cinetica doveva essere tanto maggiore quanto più grande era la massa e quanto più piccolo il raggio dell'astro, vista la legge di gravitazione universale . Seguendo la fisica di Newton, Laplace dimostrò nel 1799 che la luce non può uscire da un corpo celeste avente una densità media pari a quella della Terra ed un diametro pari a 250 volte quello solare. Laplace pensava alla luce come ad un corpo dotato di massa e di velocità c, ma non conoscendo la teoria della relatività non precisò che tale velocità c non poteva essere superata. Un corpo con le caratteristiche enunciate da Laplace avrebbe dunque impedito alla luce di uscire dalla sua influenza gravitazionale (da qui il nome buco nero).

Par. 2) Le prime teorie sul collasso gravitazionale

Nel 1939 gli astrofisici Robert Oppenheimer e Georg Volkoff pubblicarono in un articolo gli esiti di importanti ricerche sull'energia stellare. Quegli studi coinvolgevano lo stadio finale di un oggetto stellare soggetto ad evoluzione termonucleare e stabilivano che, una volta esaurite le fonti energetiche, un corpo sufficientemente massiccio doveva subire un collasso gravitazionale continuato secondo un andamento asintotico. Nel 1967 John Archibald Wheeler battezzò con il celebre nome di buco nero la strana configurazione collassata che Oppenheimer e Volkoff avevano suggerito.

Par. 3) Il collasso gravitazionale e la curvatura dello spazio

Il collasso gravitazionale è un fenomeno che si verifica all'interno di un corpo quando l'energia liberata dalla fusione nucleare non è più in grado di controbilanciare la forza di gravità, che attira verso il centro del corpo stesso tutto il materiale orbitante.

Secondo la teoria della relatività un corpo dotato di massa causa una curvatura dello spazio che influenza i corpi circostanti. Calcolando la curvatura in prossimità di un buco nero, si scopre che il raggio dell'astro è dello stesso ordine del raggio di curvatura, con conseguente distorsione della geometria del campo gravitazionale "tradizionale". In particolare, dove la curvatura è intensa l'astro risulta prossimo al collasso gravitazionale.

Par. 4) Il raggio di Schwarzschild e l'orizzonte degli eventi

Si definisce raggio di Schwarzschild (che indicheremo con R) della massa M la lunghezza espressa da:  (G è la costante di gravitazione universale). Per il Sole si ha ad esempio R=2,9 Km, mentre per la Terra R=0,886 cm. Le più recenti teorie affermano che un astro di massa M diventa buco nero quando il suo raggio r si eguaglia al raggio R di Schwarzschild. Come evidenziato, Terra e Sole sono ben distanti dal diventare buco nero, ma le stelle a neutroni hanno invece una configurazione simile.

Si definisce orizzonte degli eventi la sfera immaginaria di raggio R di Schwarzschild al cui centro è posto un buco nero. Sulla superficie della suddetta sfera la velocità di fuga è pari a quella della luce: da ciò consegue che nulla può tornare dall'orizzonte degli eventi, dal momento che c è una velocità limite. In prossimità di tale orizzonte lo spazio ed il tempo subiscono modifiche relativistiche enormi, inspiegabili dalla fisica classica.

Par. 5) Esistenza dei buchi neri

I buchi neri, per come sono costituiti, sono invisibili ma in grado di emettere grandi quantità di raggi X. Le ipotesi più accreditate sostengono infatti che parte della materia del buco nero venga convertita in energia e poi liberata grazie a dei processi fisici molto complessi che coinvolgono i costituenti primi della materia. Si rilevano comunque nell'universo dei fenomeni al momento spiegabili solo con la presenza di un buco nero. Ad esempio nella costellazione del Cigno una supergigante azzurra ruota attorno ad una "compagna" invisibile che risucchia materia dalla stella ed emette raggi X: il sistema binario è denominato Cignus X-1 e si pensa che la compagna invisibile sia appunto un buco nero. Fenomeni simili sono stati rilevati anche all'interno della Nube di Magellano.

Par. 6) Formazione di un buco nero

Affinché la vita di una stella si concluda con la formazione di un buco nero è necessaria una grandissima quantità di materia (massa) all'inizio di tutta l'evoluzione stellare. Dalla nebulosa interstellare si origina dapprima una protostella, la quale diventa una stella vera e propria iniziando la fusione termonucleare dell'idrogeno. Terminato questo processo di fusione dell'idrogeno, la stella diventa instabile e, se la sua massa supera le 0,5 masse solari, dà origine ad una gigante rossa, all'interno della quale inizia la fusione degli elementi più complessi. Se il nucleo della gigante rossa supera le 1,44 masse solari (limite di Chandrasekhar) si origina una supergigante rossa, all'interno della quale la fusione procede fino a quando non diviene endoergonica e cessa pertanto di liberare energia. A questo punto infatti la forza gravitazionale non è più bilanciata dall'energia liberata con la fusione e si ha un collasso gravitazionale. Tutta la materia precipita verso il nucleo, nel quale si addensano cariche positive e negative, urtate dalla materia circostante. Tali cariche però si respingono violentemente e causano l'esplosione di una supernova. Se il nucleo di quest'ultima supera le 4 masse solari la materia torna nuovamente a precipitare e si forma definitivamente il buco nero, il quale diventa sempre più denso.