La Via Lattea e la distorsione causata da un ipotetico buco nero.

Nell’Universo profondo, si aggirano “mostri”  invisibili: i buchi neri. Tanto imponenti quanto affascinati, i buchi neri sono tra gli oggetti più misteriosi e poco conosciuti dell’intero Universo.

E proprio qualche giorno fa, il team guidato dall’astronomo cinese Xue-Bing Wu, della Peking University di Pechino, ha osservato quello che finora è il più antico buco nero mai scoperto, databile “appena” 900 milioni di anni dopo il Big Bang. La luce proveniente dalla materia circostante il buco nero ha impiegato quasi 13 miliardi di anni per raggiungere la Terra: stiamo parlando di un oggetto estremamente lontano, nello spazio e nel tempo!

La sua massa è pari a 12 miliardi di volte quella del Sole. Proprio per la loro imponente massa, questi buchi neri sono chiamati supermassicci e si pensa che possano trovarsi al centro di più galassie, che risucchino materiale interstellare per raggiungere tale massa e che siano generati dalla fusione di più buchi neri.

Perché “buchi neri”?

Rappresentazione artistica di un buco nero.

Come un buco nero distorce lo spazio-tempo.

La prima domanda che ci si può fare è innanzitutto perché l’appellativo “buchi”? E soprattutto perché “neri”?

Facile rispondere a entrambe se si pensa a cosa succede alla materia che gravita in prossimità di uno di questi oggetti: tutto ciò che si avvicina troppo, oltre un certo limite, chiamato orizzonte degli eventi, non può più tornare indietro e viene risucchiato; inoltre, la forza di gravità esercitata da un buco nero è talmente elevata che neanche la luce può sfuggirgli. Questo significa che la velocità di fuga di un buco nero è più alta della velocità della luce stessa, pari a 300.000 Km/s.

Per questo motivo non è possibile osservare direttamente un buco nero, ma si possono vedere gli effetti che la sua presenza provoca nella materia, in particolare la distorsione della curvatura spazio-temporale circostante; inoltre un buco nero espelle radiazioni e materia sotto forma di getto lungo l’asse di rotazione.

Da dove vengono i buchi neri?

Ma da cosa sono generati tali oggetti estremi?

Un buco nero può per esempio nascere dalla morte di una stella. Questo dipende dalla massa della stella stessa: stelle come il Sole sono considerate medie e il loro collasso gravitazionale non porta alla formazione di un buco nero. Ma una stella che avesse 3 o 4 volte la massa del nostro Sole, collassando darebbe origine a una stella di neutroni o a un buco nero.

I buchi neri supermassicci invece possono essere molto antichi, proprio come quello studiato dal team cinese, e solitamente risucchiano grandi quantità di massa e liberano radiazioni attraverso il getto assiale. Si pensa che all’interno dei nuclei galattici ci siano buchi neri supermassicci, senza esclusione per la Via Lattea.

Raggi cosmici

Un Buco nero e i suoi getti assiali.

Un Buco nero risucchia una stella vicina.

Se una stella ha la sfortuna di gravitare in prossimità di un buco nero, quest’ultimo spilla costantemente, ma inesorabilmente, materia dagli strati esterni della stella stessa. La caduta della materia all’interno del buco nero genera energia cinetica che alimenta l’emissione di radiazione. Questo sitema binario prende il nome di microquasar. E’ interessante guardare a questo tipo di sistema poiché, nonostante i buchi neri sembrino già speciali se consideriamo tutte le loro caratteristiche estreme, come spesso succede, è quello che non si vede a essere ricco di informazioni più profonde, di dinamiche nascoste ma importantissime. La chiave del mistero probabilmente risiede nei raggi cosmici che un buco nero (in particolare se supermassiccio) emette. I raggi cosmici derivanti dall’energia cinetica associata alla materia risucchiata in un buco nero subiscono accelerazioni elevatissime e raggiungono la Terra praticamente indisturbati. Nonostante questo renda difficilissimo riuscire a rilevarli, i raggi cosmici conservano praticamente intatta l’informazione energetica della sorgente da cui provengono, candidandosi a essere i custodi designati dei segreti del nostro Universo.

Avvicinandosi a un buco nero

Facciamo il punto: finora sappiamo che i buchi neri sono oggetti supermassicci che emettono radiazioni, risucchiano la materia che li circonda e sono originati dal collasso di stelle particolarmente massicce o risalgono agli albori dell’Universo.

Ma immaginiamo per un attimo di gettare lo sguardo oltre l’orizzonte degli eventi, “il punto di non ritorno”. Immaginiamo di non essere nello spazio siderale, ma di nuotare in mare in prossimità di un mulinello. Se ci teniamo a debita distanza dal mulinello, siamo liberi di nuotare in qualsiasi direzione. Non appena ci avviciniamo all’orizzonte degli eventi del nostro mulinello, sempre più percorsi tenderanno a convergere verso di esso, finchè, una volta superato un certo limite (l’orizzonte degli eventi, appunto), tutti i percorsi tenderanno verso il centro del mulinello. Tornando nello spazio, questo significherebbe non poter più uscire da un buco nero.

Dentro un buco nero: teorie in contraddizione

La domanda che sorge spontanea ora è: cosa succede alla materia che supera l’orizzonte degli eventi di un buco nero?

La risposta a questa domanda è fonte di accesi dibattiti e rischia di mettere in dubbio l’intera teoria della relatività generale se non la meccanica quantistica stessa. Infatti uno dei principi basilari della moderna meccanica quantistica è l’assunzione che un sistema in evoluzione conserva sempre le informazioni relative al suo stato iniziale. Se si pensa ai buchi neri, non è possibile a priori risalire allo stato iniziale, ossia a cosa ne ha causato la formazione. Seguendo le regole della meccanica quantistica e considerando il buco nero come qualcosa di eterno, fin qui nessuna contraddizione: le informazioni iniziali ci sono da qualche parte, semplicemente non possiamo accedervi. Ma se invece si considerare il buco nero come qualcosa che in tempi molto lunghi tende a estinguersi, allora vuol dire che l’informazione contenuta in esso andrà perduta e non sarà più recuperabile. Una delle teorie che cerca di risolvere la contraddizione legata alle informazioni iniziali è la teoria delle stringhe, che riconfigura la struttura interna dei buchi neri rispetto alla teoria classica: non più una singolarità con intensità infinita al centro, ma qualcosa di più complesso che si estende su più dimensioni e che consentirebbe la fuoriuscita dell’informazione dal buco nero, anche se in tempi estremamente lunghi.

Misteri, teorie e futuro

Rappresentazione di un ponte di Einstein-Rosen.

Risolta la contraddizione sull’informazione, la domanda resta: cosa c’è dentro un buco nero?

Le congetture sono tante: per esempio un osservatore che accidentalmente cadesse al di là dell’orizzonte degli eventi, potrebbe non accorgersene affatto! Inoltre bisogna ricordare la postulazione dei cosiddetti ponti di Einstein-Rosen, dei veri e propri cuniculi spazio temporali in grado di collegare due regioni diverse dello stesso Universo o di due Universi paralleli. Sebbene tutto questo suoni come fantascienza, molti aspetti di queste teorie sono stati dimostrati, come per esempio l’attraversabilità di un ponte di Einstein-Rosen. Ma l’applicabilità alla realtà fisica è ovviamente estremamente complessa da provare.

Il mistero che avvolge i buchi neri, così come gli altri oggetti misteriosi del cosmo, continuerà ad alimentare nuove teorie e a mantenere vivo il dibattito su uno dei temi scientifici più caldi e più importanti per completare un importante capitolo nel libretto d’istruzioni del nostro Universo.

 di Michele Mione

Fonti:

http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero – Pagina Wikipedia dedicata ai buchi neri

http://www.nature.com/news/young-black-hole-had-monstrous-growth-spurt-1.16989 – La scoperta del team cinese pubblicata sulla rivistaNature

http://www.asimmetrie.it/index.php/nel-buio-dei-buchi-neri – “Nel buio dei buchi neri”, Gianguido Dall’Agata, Asimmetrie – Rivista ufficiale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Aprile 2013

http://www.asimmetrie.it/index.php/masse-estreme – “Masse estreme”, Gianguido Dall’Agata, Asimmetrie – Rivista ufficiale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Aprile 2013

http://www.asimmetrie.it/index.php/voci-dell-universo – “Voci dell’Universo”, Paolo Lipari, Asimmetrie – Rivista ufficiale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Settembre 2010