Universo misterioso: i buchi neri

I vari processi fisici di formazione delle strutture hanno portato alla nascita di oggetti molto diversi nell'universo in cui viviamo: pianeti, stelle, galassie. La teoria della relatività generale, pubblicata da Einstein nel 1915, prevede anche l'esistenza di peculiari oggetti denominati buchi neri. Si tratta di corpi celesti dotati di una particolarità unica, che suscitano ancora oggi grande interesse da parte della comunità scientifica.

I buchi neri sono oggetti caratterizzati da enorme compattezza e densità, tali che nulla possa sfuggire dalla loro superficie, nemmeno i raggi luminosi. Per comprendere questo basta pensare a cosa accade quando si lancia un oggetto verso l'alto. Questo continuerà a salire fino a raggiungere un picco e successivamente ricadrà verso il basso. Ovviamente con tanta più forza viene lanciato, maggiore sarà la sua velocità e tanto più alto il picco della sua traiettoria. Cosa accade? L'attrazione gravitazionale della Terra fa si che l'oggetto ricada dopo un certo intervallo di tempo, tanto maggiore quanto più alto è il picco. Per poter sfuggire al campo gravitazionale della Terra, un oggetto deve possedere una velocità di almeno 11.2 km/s. Questa velocità, detta velocità di fuga, è tanto più grande quanto maggiori sono la massa e la densità del corpo celeste su cui ci si trova. Per esempio, se fossimo su Giove, il pianeta più massiccio del Sistema Solare, si dovrebbe lanciare un oggetto alla velocità di circa 59.5 km/s per farlo allontanare dal pianeta.

Pensiamo ora di trovarci sulla superficie di un corpo tanto massiccio e così compatto da possedere una velocità di fuga dell'ordine di 300 mila km/s, cioè uguale alla velocità di propagazione della luce. Siamo in questo caso sulla superficie di un buco nero. I buchi neri sono perciò oggetti dai quali nulla può sfuggire, nemmeno i raggi luminosi: questa caratteristica fa si che il loro raggio venga denominato “orizzonte degli eventi”.

Come nascono? Alcuni di essi si formano quando una stella molto più massiccia del Sole cessa il combustibile nucleare (idrogeno ed elio) che alimenta le reazioni che avvengono al suo interno. Nel numero scorso di Futura abbiamo visto come l’energia prodotta da queste reazioni nucleari contrasta la gravità e impedisce alla stella di collassare su se stessa, e che quando queste cessano la stella implode dando vita, dapprima, ad un oggetto molto affascinante denominato supernova, e successivamente ad un un buco nero. La massa tipica di questi oggetti è quindi diverse volte più grande di quella del Sole, ma quello che li caratterizza è la loro densità: un buco nero con la massa uguale a quella solare dovrebbe possedere un raggio di circa 3 km e, dunque, una densità elevatissima.

Il valore estremamente alto della velocità di fuga sulla superficie di un buco nero fa si che questi inghiottano una grande quantità di materia, che va ad aumentare continuamente la loro massa. I buchi neri non emettono luce, come le stelle e le galassie: non si possono osservare direttamente, ma proprio dalla dinamica della materia nelle circostanze del corpo gli astronomi possono percepire la loro presenza. In alcuni casi una certa quantità di materia accresciuta, poco prima di giungere in prossimità dell'orizzonte degli eventi, viene anche espulsa, rappresentando un'altra forma di emissione utile alla identificazione dell'oggetto. I buchi neri non sono quindi completamente oscuri.

Recentemente lo studio della dinamica della materia in prossimità del centro delle galassie ha permesso di ipotizzare la presenza di buchi neri super-massicci. Si tratta in questo caso di sistemi milioni di volte più grandi del Sole, la cui formazione non è dovuta al collasso di una stella ma è legata alla contrazione gravitazionale di una grande quantità di gas in una regione estremamente densa e circoscritta: il centro di una galassia. Della loro fenomenologia e formazione ci occuperemo prossimamente.

CARLO GIOCOLI

Immagine: rappresentazione artistica di un buco nero che inghiotte materia da una stella vicina e ne espelle una parte sotto forma di getti (Felix Mirabel, ESA e NASA).