di Mattia Piccoli con illustrazioni di Riccardo Passoni

Buco nero. Cos’è? Prima di parlarne dobbiamo iniziare con un oggetto che è l’esatto opposto: una stella.

Cos’è una stella? Se state pensando a un oggetto a cinque punte o a un punto luminoso vi sbagliate!

Una stella è qualcosa di molto diverso; essa è un’enorme palla di gas ionizzato (75% di idrogeno, 25% di elio e una minuscola percentuale di altri elementi più pesanti) che dovrebbe collassare su se stessa sotto il proprio peso ma non lo fa perché all’interno, nel suo nucleo, la pressione e la temperatura sono così alte da fondere gli atomi di idrogeno per formare l’elio (e ciò avviene soltanto durante la fase di sequenza principale della stella). Così facendo si sprigiona un’enorme quantità di energia che impedisce alla stella di collassare, ma, fondi oggi fondi domani, dopo qualche milione di anni o qualche miliardo (a seconda della massa della stella) il combustibile si esaurisce e la stella collassa. Se la stella è abbastanza massiccia, ovvero ha una massa pari almeno a otto volte quella del Sole, essa “esplode” diventando una supernova, che conserva il nucleo, il quale continua a collassare fino a raggiungere dimensioni che non possiamo quantificare: qui ha origine il nostro buco nero! Però questi si possono formare anche in altri modi; basti sapere che se noi abbiamo una massa M (in kg) allora attraverso questa relazione 1:

r=2*G*M/c2

noi possiamo calcolare quanto sarà grande l’orizzonte degli eventi (ovvero il limite tra l’interno e l’esterno del buco nero che appare come una sfera nera). Possiamo fare anche delle prove, per esempio un oggetto con una massa di 10^20 kg (ovvero circa 10.000 volte meno massiccio della Terra) avrà un raggio pari a 0.149 micron ovvero mille volte più piccolo di una cellula umana media.

Ma com’è fatto un buco nero? Come ci apparirebbe in natura?

Immaginiamo di trovarci in orbita attorno ad un buco nero formatosi a seguito della morte di una stella, esso sarebbe probabilmente invisibile (se non ci fosse niente dietro, come del gas incandescente o la Via Lattea) ma vedremmo una distorsione del campo stellare dietro ad esso, perché incurvando lo spazio con la sua massa andrebbe a deviare le traiettorie dei raggi di luce provenienti dalle stelle e crerebbe un fenomeno simile a quello di una lente (difatti questo fenomeno, che interessa tutti i corpi dotati di massa, si chiama lente gravitazionale). A volte può anche essere più semplice individuare un buco nero: può capitare, ad esempio, che due stelle di diversa massa ruotino una intorno all’altra (questo tipo di sistema stellare è detto stella doppia e non è affatto raro, anzi, è la normalità). Con il passare del tempo una diventa un buco nero mentre l’altra una gigante rossa (che potrà diventare anch’essa un buco nero). In questo caso ciò che potremo vedere è una stella che orbita intorno al nulla! Saremo così sicuri che nei paraggi c’è un buco nero.

Passiamo ora all’interno del buco nero, delimitato dall’orizzonte degli eventi, che è semplicemente un limite che divide lo spazio interno da quello esterno permettendo soltanto alle informazioni esterne di entrare. Tutto ciò che è all’interno è infatti celato a chiunque (per questo un buco nero è nero), ma abbiamo delle teorie secondo le quali al centro della sfera di oscurità c’è la singolarità, che si suppone sia un punto senza dimensioni nel quale è concentrata tutta la massa del buco nero. Di ciò non possiamo essere sicuri, infatti la singolarità potrebbe anche essere una minuscola sfera.

Com’è stare dentro all’orizzonte degli eventi?

Se parliamo di buchi neri di piccola massa, allora non sarebbe una buona idea cercare anche solo di avvicinarsi, perchè nei pressi di un piccolo buco nero la forza di gravità cambia di molto anche cambiando di poco la propria distanza dal corpo attrattore. A causa di ciò, per esempio, la forza esercitata sui nostri piedi sarebbe decisamente maggiore rispetto a quella esercitata sulla testa e ciò provocherebbe uno stiramento chiamato in gergo tecnico “spaghettificazione”. Se vollessimo però addentrarci in un buco nero di grande massa (ad esempio di qualche milione di masse solari), allora potremmo attraversarne l’orizzonte senza problemi grazie al fatto che le forze di marea agirebbero sul nostro corpo in maniera apprezzabile soltanto all’interno del buco nero. Purtroppo, però, non potremmo dire cosa vedremmo, perché per fare ciò dovremmo superare la velocità della luce, cosa impossibile; ma qui sorge un problema: così come la materia e l’energia non si distruggono,  anche l’informazione non può essere distrutta. Per risolvere questo problema si sono sviluppate diverse teorie che qui potete trovare spiegate in maniera non troppo tecnica: https://www.quantamagazine.org/the-most-famous-paradox-in-physics-nears-its-end-20201029/, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1634/1/012088/pdf.

Note:

1: Dove r è detto raggio di Schwarzschild (ovvero il raggio di un buco nero non in rotazione di massa M, in m), c è la velocità della luce (c=299792458 m/s) e G la costante di gravitazione universale (G=6.674*10^-11 N*m^2/kg^2).

2: Le ultime quattro immagini non sono in scala.