Che cosa sono i buchi neri e come si formano?

Che cosa sono i buchi neri

Un buco nero non è un foro vuoto nello spazio. È una regione in cui la materia e l’energia hanno prodotto una curvatura dello spazio-tempo così intensa che, superato un certo confine, nessun segnale può raggiungere un osservatore esterno.

Quel confine è chiamato orizzonte degli eventi. Non è una superficie solida: indica il limite oltre il quale la velocità necessaria per allontanarsi sarebbe superiore a quella della luce, che secondo la relatività è la massima velocità possibile.

Il termine “nero” deriva proprio dal fatto che la luce proveniente dall’interno dell’orizzonte non può uscire. Il buco nero in sé non emette né riflette luce nel modo ordinario, ma ciò che gli sta intorno può diventare estremamente luminoso.

Orizzonte degli eventi, raggio e singolarità

La dimensione caratteristica di un buco nero è legata al suo orizzonte degli eventi. Nel caso ideale di un buco nero non rotante e privo di carica, il raggio di Schwarzschild cresce in proporzione alla massa: più massa contiene, più grande è il suo orizzonte.

Al centro, le soluzioni classiche della relatività generale prevedono una singolarità, cioè una regione nella quale densità e curvatura diventano matematicamente infinite. Questa descrizione segnala però anche il limite della teoria: non sappiamo ancora come una teoria completa della gravità quantistica descriverebbe realmente l’interno.

Per questo è corretto distinguere ciò che è osservato — gli effetti gravitazionali e la materia attorno all’orizzonte — da ciò che i modelli prevedono all’interno, dal quale non può arrivare informazione diretta.

Come si forma un buco nero stellare

Una stella produce energia fondendo elementi nel proprio nucleo. Questa energia contribuisce a contrastare la gravità. Quando una stella abbastanza massiccia esaurisce il combustibile utilizzabile, il nucleo non riesce più a sostenersi e collassa.

Gli strati esterni possono essere espulsi in una supernova, ma non tutte le nascite di buchi neri devono produrre un’esplosione facilmente visibile. Se il nucleo residuo è sufficientemente massiccio, nessuna pressione conosciuta riesce a fermarne il collasso e si forma un buco nero.

La massa iniziale della stella, la perdita di materia durante la sua vita, la composizione e l’eventuale presenza di una compagna determinano il risultato finale. Stelle meno massicce possono lasciare una nana bianca o una stella di neutroni invece di un buco nero.

I diversi tipi di buchi neri

I buchi neri di massa stellare hanno in genere masse da poche a decine di volte quella del Sole, anche se fusioni e accrescimento possono produrre oggetti più pesanti. Molti vengono individuati in sistemi binari, dove orbitano insieme a una stella.

I buchi neri di massa intermedia dovrebbero collocarsi tra quelli stellari e quelli supermassicci, con masse da centinaia a centinaia di migliaia di masse solari secondo le diverse convenzioni. Esistono candidati promettenti, ma questa popolazione è più difficile da confermare.

I buchi neri supermassicci occupano il centro di molte grandi galassie e possono raggiungere milioni o miliardi di masse solari. La loro origine non è ancora completamente spiegata: possono crescere assorbendo materia e fondendosi con altri buchi neri.

I buchi neri primordiali sono invece ipotetici: potrebbero essersi formati da regioni molto dense nell’Universo appena nato. Finora non ne è stata ottenuta una prova definitiva.

Perché attorno a un buco nero può esserci molta luce

Il buco nero è oscuro, ma gas e polveri che gli orbitano intorno possono formare un disco di accrescimento. Attrito, compressione e campi magnetici riscaldano il materiale, che può emettere luce visibile, ultravioletta e soprattutto raggi X.

Parte della materia può rimanere in orbita prima di attraversare l’orizzonte. Nei nuclei galattici attivi il disco può diventare tanto luminoso da superare la luce complessiva delle stelle della galassia ospite.

Alcuni sistemi producono getti di particelle che viaggiano a velocità prossime a quella della luce. I getti non partono dall’interno del buco nero: sono alimentati dai campi magnetici e dal materiale energetico nella regione esterna all’orizzonte.

Come si scoprono se non si vedono

Gli astronomi osservano gli effetti dei buchi neri sull’ambiente. Una stella può orbitare attorno a un compagno invisibile molto massiccio; se perde gas, il disco caldo attorno al buco nero può produrre raggi X riconoscibili.

Nel centro della Via Lattea, anni di misure delle orbite stellari hanno mostrato che circa quattro milioni di masse solari sono concentrate in una regione molto piccola. Il buco nero supermassiccio associato alla sorgente radio Sagittarius A* è la spiegazione compatibile con queste osservazioni.

La gravità può anche deviare e amplificare la luce di oggetti più lontani, un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Questo metodo permette di cercare anche buchi neri isolati, non circondati da un disco luminoso.

Quando due buchi neri orbitano sempre più vicini e si fondono, producono onde gravitazionali: increspature dello spazio-tempo misurabili da strumenti come LIGO e Virgo. Il segnale GW150914, rilevato nel 2015, fu la prima osservazione diretta di onde gravitazionali e proveniva dalla fusione di due buchi neri.

I buchi neri risucchiano tutto?

No. Un buco nero non aspira automaticamente ogni oggetto dell’Universo. A grande distanza, la sua gravità agisce come quella di qualunque altro corpo con la stessa massa.

Se il Sole fosse sostituito, per pura ipotesi, da un buco nero con la stessa massa, i pianeti continuerebbero a seguire orbite quasi uguali. Mancando luce e calore, le condizioni del Sistema solare cambierebbero radicalmente, ma la Terra non verrebbe improvvisamente inghiottita.

Un oggetto cade nel buco nero soltanto se la sua traiettoria lo porta abbastanza vicino e non possiede velocità e direzione adatte a restare in orbita o ad allontanarsi. Stelle e gas possono orbitare per tempi molto lunghi senza attraversare l’orizzonte.

Che cosa accade avvicinandosi

Vicino a un buco nero le differenze della forza gravitazionale tra la parte più vicina e quella più lontana di un oggetto possono diventare enormi. Queste forze di marea tendono ad allungarlo in una direzione e comprimerlo nelle altre: il fenomeno è chiamato informalmente spaghettificazione.

L’effetto dipende dalla massa del buco nero. Nei buchi neri stellari le forze di marea possono diventare distruttive già prima dell’orizzonte; presso un buco nero supermassiccio l’orizzonte è più grande e un ipotetico osservatore potrebbe attraversarlo prima di avvertire forze altrettanto estreme.

Per un osservatore lontano, i segnali provenienti da un oggetto in caduta appaiono sempre più rallentati e spostati verso il rosso. Per chi cade, invece, il proprio tempo continua normalmente e l’orizzonte può essere attraversato in un intervallo finito. Dopo quel passaggio non è possibile inviare informazioni all’esterno.

La prima immagine di un buco nero

Il 10 aprile 2019 la collaborazione Event Horizon Telescope ha presentato la prima immagine dell’ambiente immediatamente vicino a un buco nero: M87*, al centro della galassia Messier 87, distante circa 55 milioni di anni luce e con una massa stimata in 6,5 miliardi di volte quella del Sole.

L’immagine non fotografa l’interno del buco nero. Mostra una regione centrale scura, chiamata ombra, circondata dall’emissione ad anello del gas caldo; la gravità curva e cattura parte della luce, producendo la struttura osservata.

Per ottenere la risoluzione necessaria, radiotelescopi distribuiti in diversi continenti sono stati sincronizzati e combinati come un telescopio virtuale grande quanto la Terra.

Il buco nero al centro della Via Lattea

Sagittarius A*, abbreviato Sgr A*, è il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, a circa 26.000 anni luce dalla Terra. Ha una massa di circa quattro milioni di Soli.

Il 12 maggio 2022 l’Event Horizon Telescope ha pubblicato la prima immagine della sua ombra. Il gas cambia molto rapidamente perché Sgr A* è molto meno massiccio di M87*: ricostruire un’immagine stabile è stato quindi particolarmente complesso.

Sgr A* non rappresenta un pericolo per il Sistema solare. È enormemente lontano e la sua gravità contribuisce al moto della regione centrale della galassia, non trascina indiscriminatamente verso di sé tutte le stelle della Via Lattea.

I buchi neri evaporano?

Nel 1974 Stephen Hawking mostrò teoricamente che gli effetti quantistici vicino all’orizzonte dovrebbero far emettere ai buchi neri una radiazione estremamente debole, oggi chiamata radiazione di Hawking.

Se un buco nero non acquistasse nuova materia o energia, questa emissione ne ridurrebbe lentamente la massa fino all’evaporazione. Per i buchi neri astrofisici conosciuti i tempi previsti sono immensamente più lunghi dell’età attuale dell’Universo.

La radiazione di Hawking non è stata osservata direttamente nei buchi neri astronomici. È una previsione importante nell’incontro tra relatività, termodinamica e meccanica quantistica, non un processo già misurato nello spazio.

Domande frequenti sui buchi neri

Che cos’è un buco nero? Una regione dello spazio-tempo delimitata da un orizzonte degli eventi, oltre il quale nulla può tornare all’esterno.

Perché non esce nemmeno la luce? Perché dentro l’orizzonte tutti i possibili percorsi futuri conducono verso l’interno; non esiste una traiettoria di fuga compatibile con la velocità della luce.

Come nasce? Un buco nero stellare può formarsi dal collasso del nucleo di una stella molto massiccia. L’origine dei buchi neri supermassicci è ancora studiata.

Si può vedere? Non direttamente. Si osservano la materia luminosa circostante, l’ombra, le orbite di stelle, gli effetti di lente e le onde gravitazionali.

Qual è il buco nero della Via Lattea? Sagittarius A*, con una massa di circa quattro milioni di Soli.

Un buco nero può inghiottire la Terra? Non esiste un buco nero conosciuto abbastanza vicino da minacciare la Terra. A distanza, la sua gravità non è diversa da quella di un altro corpo della stessa massa.

È un passaggio verso un altro Universo? Non ci sono prove che i buchi neri siano portali o wormhole.

Che cosa c’è dentro? La relatività generale prevede una singolarità, ma manca una teoria verificata che unisca gravità e fisica quantistica per descrivere completamente l’interno.

Quanti tipi esistono? Le categorie osservate o ricercate sono stellari, intermedie e supermassicce; i buchi neri primordiali restano ipotetici.

Possono scomparire? La teoria prevede una lentissima evaporazione tramite radiazione di Hawking, non ancora osservata direttamente nei buchi neri astronomici.

Casi particolari

• →Un buco nero non è un foro vuoto e non è una superficie solida.
• →L’orizzonte degli eventi è un confine dello spazio-tempo, non il materiale nero visibile nelle rappresentazioni.
• →Le immagini di M87* e Sagittarius A* mostrano l’ombra del buco nero contro il gas luminoso circostante, non il suo interno.
• →I buchi neri non sono aspirapolvere cosmici: a distanza la loro gravità equivale a quella di qualsiasi oggetto con la stessa massa.
• →I getti relativistici hanno origine nella materia e nei campi magnetici fuori dall’orizzonte, non dall’interno del buco nero.
• →La singolarità è una previsione della relatività generale e indica anche dove la descrizione classica diventa incompleta.
• →I buchi neri di massa intermedia hanno diversi candidati ma sono più difficili da confermare.
• →I buchi neri primordiali sono ipotetici e non sono stati osservati in modo definitivo.
• →La radiazione di Hawking è una previsione teorica e non è stata rilevata direttamente nei buchi neri astronomici.
• →Non esistono prove che i buchi neri siano portali, wormhole o passaggi verso altri universi.