I buchi neri – Le risposte alle vostre domande in modo chiaro e comprensibile [parte 1]

Buco nero attira la luce di una stella

I buchi neri sono giganti nello spazio che non lasciano uscire (quasi) niente. Lo spazio è estremamente deformato e persino la luce scompare al suo interno [01]

SOMMARIO
Come si forma un buco nero?
Cosa succede a un oggetto che cade nel buco nero? Come lo vediamo?
Cosa succede alle stelle e alle galassie attorno all’orizzonte? Come le vediamo?
Cosa succederebbe se noi entrassimo nel buco nero?
Che cosa succede nella singolarità (lo spazio interno) di un buco nero?
Si potrebbe sfruttare l’energia di un buco nero per iniziare una colonizzazione?
Come scorre il tempo in un buco nero?
I buchi neri ruotano?
Esce qualcosa dall’interno del buco nero o resta tutto intrappolato?
E’ vero che un buco nero può evaporare?
Cosa significa che un buco nero “non ha peli”?
Glossario

Di sicuro avrete già un’idea di cosa siano i buchi neri. Se siete appassionati di astronomia (o di fisica) saprete anche quanto sono straordinari e che alcune delle loro proprietà arrivano al limite della realtà che conosciamo, quasi facessero breccia verso un mondo dove le nostre leggi smettono di funzionare. Naturalmente, perché non comprendiamo bene alcuni meccanismi non significa che dobbiamo per forza tirare in campo delle forze sconosciute: significa semplicemente che non abbiamo ancora i mezzi per capirli.

Descritti in breve, i buchi neri sono regioni nello spazio con una gravità così alta da intrappolare ogni elemento attorno, impedendogli per sempre di uscire. Quando parlo di «ogni elemento» lo intendo in modo letterale: persino la luce viene divorata, motivo per cui il buco assume questo aspetto “nero”.
Di recente si sono fatti enormi passi avanti nel suo studio e si è scoperto che è molto più interessante di quanto si immaginava qualche anno fa. Per esempio, si è scoperto che non tutto resta intrappolato nel buco: qualcosa esce.

In questo articolo farò una panoramica sulle proprietà di un buco nero, dividendo la pagina in domande e cercando come sempre di evitare formule e nozioni complicate.
Capiremo cos’è un buco nero e come fa a divorare tutto quanto. Vedremo cosa succederebbe se un osservatore (noi) si avvicinasse al suo orizzonte o addirittura cercasse di entrare all’interno.
L’argomento è affascinante, e le informazioni sono così tante che ho preferito suddividerlo in tre parti per non appesantire, che saranno pubblicate a scaglioni; in ogni pagina trovate comunque i link agli articoli ordinati, a mano a mano che saranno pubblicati.

Le informazioni che abbiamo le dobbiamo a grandi scienziati del calibro di Stephen Hawking e Kip Thorne. Quest’ultimo ci ha lasciato un libro completo sui buchi neri, comprensibile anche a chi non è un fisico: Buchi neri e salti temporali, una lettura che consiglio vivamente, e da cui è stato tratto quel capolavoro di film che è “Interstellar“.
Se avete dei dubbi su qualche termine, leggete in fondo all’articolo, dove ho preparato un mini glossario.

Nota: aggiungerò anche qualche informazione più tecnica, per chi vuole approfondire, indicata con la dicitura “Approfondimento”. Un lettore occasionale, che si avvicina per la prima volta al concetto di buchi neri, si senta libero di ignorare queste parti.
Come sempre, se siete esperti e trovate imprecisioni, fatemelo sapere che provvedo a modificare.

Come si forma un buco nero?

Buco nero - polvere attorno a buchi neri supermassicci

La polvere sottile che, secondo gli astronomi, potrebbe circondare un buco nero supermassiccio [02]

Un qualsiasi oggetto può diventare un buco nero se si contrae su se stesso (cioè prende la sua massa e la comprime, riducendo le dimensioni) fino a raggiungere una “circonferenza critica”. Questa circonferenza corrisponderà all’orizzonte degli eventi del buco nero: in altre parole, è il limite che separa il luogo da cui possono sfuggire segnali da quello da cui nessun segnale può sfuggire.
Quanto deve essere grande questa circonferenza? Dipende dalla massa dell’oggetto. Il valore è facile da calcolare: se la massa del buco nero è uguale a quella del nostro Sole, la circonferenza è di 18,5 km. Per calcolare la circonferenza di buchi neri con masse più grandi, basta moltiplicare di conseguenza: se il buco è tre volte la massa solare, sarà 18,5 x 3 = 55,5 km.

La massa di un buco nero è così compressa che la forza di gravità che si crea è enorme. Qualsiasi cosa abiti attorno all’orizzonte degli eventi viene attirata, inizia a vorticare attorno al buco nero fino a quando non sarà a sua volta inglobata. La massa del buco, quindi, aumenta di continuo fino a quando trova oggetti da catturare.

Immaginare un buco nero non è semplice come potrebbe sembrare. Potreste essere tentati di immaginarlo come una pallina: sarebbe uno sbaglio. Lo spazio in un buco nero è estremamente deformato, proprio per la forte gravità, e dovete immaginarlo invece come una specie di imbuto. Più si va verso l’interno e ci si avvicina al suo centro (chiamato singolarità), più la circonferenza dell’imbuto si riduce.
Vicino alla singolarità, entriamo in un mondo caotico, che non è più sferico: la circonferenza può essere di pochi centimetri, mentre il raggio può essere di milioni di km.

Può sembrare un paradosso, perché a scuola abbiamo imparato che il raggio di una sfera forma sempre e comunque una circonferenza di esatte dimensioni. Ma dobbiamo capire che vicino alla singolarità la geometria che conosciamo è molto distorta per l’effetto della gravità. E’ la cosa affascinante dei buchi neri: mettono a dura prova la nostra conoscenza delle leggi fisiche e matematiche.

Nell’immagine sotto avete uno schema di come gli oggetti celesti deformano lo spazio. L’ultimo a destra è il buco nero, la cui depressione è enorme. Il punto in basso (singolarità) può essere visto come il centro del cerchio. Come potete vedere, è estremamente lontano dalla superficie in alto, dove si trova la circonferenza: il raggio, quindi, è lunghissimo.
Una curiosità: il cerchio nero nello schema è la dimensione della Terra intera se collassasse in un buco nero. Cioè una lunghezza di meno di 2 centimetri…

Uno schema di come gli oggetti celesti deformano lo spazio. In ordine: Sole, nana bianca, stella di neutroni, buco nero

Uno schema di come gli oggetti celesti deformano lo spazio. In ordine: Sole, nana bianca, stella di neutroni, buco nero [05]

Approfondimento: la massa per diventare un buco nero

Quando un centro di una stella implode su se stessa a grande velocità, si può formare una supernovae: la materia diventa una stella di neutroni e perde il 10% della massa, che si trasforma in esplosione di energia.
Se la stella ha massa fino a 1,4 Soli, alla morte diventerà una nana bianca e quindi si raffredderà ancora diventando una nana nera. Questo fenomeno è dovuto allo spazio compresso: la stella si rimpicciolisce e gli elettroni interni “premono” per non farla rimpicciolire ulteriormente.
Se invece la massa supera 1,4 Soli, gli elettroni non riescono a contrastare l’enorme gravità: la stella di neutroni si trasformerà in buco nero.

Approfondimento: come conosciamo i dati di un buco nero

Se conosciamo massa, tasso di rotazione e carica elettrica di un buco nero, possiamo calcolare tutte le sue proprietà. Per esempio, possiamo ricavare la forma sull’orizzonte, la forza di attrazione gravitazionale e la frequenza delle pulsazioni.

Cosa succede a un oggetto che cade nel buco nero? Come lo vediamo?

Buco nero - oggetti in caduta

Un oggetto caduto in un buco nero smetterebbe di inviarci i suoi segnali, luce compresa [03]

Immaginate di arrivare ai margini di un buco nero con un’astronave. Ovviamente, con la tecnologia che abbiamo oggi sareste di sicuro risucchiati all’interno e un’osservazione non sarebbe possibile, ma ignoriamo questi dettagli. Pensate, quindi, di essere poco lontano dall’orizzonte e di gettare all’interno una sonda che continui a inviare raggi laser, così da poter osservare i suoi spostamenti dall’esterno.

A mano a mano che la sonda scende, dall’esterno noi vediamo il raggio laser tendere sempre più verso una colorazione rossa: significa che le sue lunghezze d’onda aumentano sempre di più. In altri termini, la sonda sta accelerando sempre di più, presa nel vortice di gravità del buco.
A un certo punto, la sonda raggiungerà la velocità della luce e scomparirà dall’orizzonte. Da fuori noi continueremo a vedere il laser, ma si tratta dei resti di onde estremamente lunghe, che provengono dal passato e cioè dall’istante prima che la sonda raggiungesse la velocità della luce. In realtà, né il laser né la sonda riusciranno mai più ad uscire dal buco.

Approfondimento: la caduta di un oggetto più piccolo di un atomo

Gli oggetti di grandi dimensioni (tra cui l’uomo) sono governati dalle leggi della fisica classica, la quale prevede che niente possa uscire da un buco nero. Ma le particelle più piccole si comportano diversamente. Riporto un passo del libro di Thorne, che lo spiega nei dettagli:

Gli oggetti più piccoli, ad esempio gli atomi, le molecole e i buchi neri più piccoli di un atomo, sono governati da un insieme assai diverso di leggi, le leggi della fisica quantistica. […] Esse prevedono che qualsiasi buco nero delle dimensioni di un atomo evapori gradualmente e si riduca fino a raggiungere una circonferenza di dimensioni estremamente piccole, all’incirca come il nucleo di un atomo. Il buco, che malgrado le sue dimensioni pesa circa un miliardo di tonnellate, deve allora distruggersi con un’enorme esplosione. Quest’ultima converte la sua massa da un miliardo di tonnellate in energia che si diffonde, con una potenza mille miliardi di volte superiore alla più potente esplosione nucleare provocata dagli esseri umani sulla Terra nel XX secolo.

Cosa succede alle stelle e alle galassie attorno all’orizzonte? Come le vediamo?

Buco nero - rappresentazione artistica

La gravità di un buco nero è così grande, che la luce di tutti gli oggetti celesti convergono verso un unico punto. Se siamo sotto, possiamo vedere il gruppo di luci (e quindi l’universo) sopra di noi [04]

Ecco un fatto davvero affascinante.
Con la nostra astronave ci troviamo sempre sopra all’orizzonte di un buco nero, alziamo per un attimo lo sguardo verso l’alto e… l’universo sembra precipitarci addosso. Tutte le stelle e le galassie si trovano al di sopra della nostra testa. Com’è possibile?

La spiegazione è ancora una volta nella fortissima gravità del buco. Tutto quello che possiamo osservare – dal più piccolo oggetto alla più lontana tra le stelle – è la rappresentazione che ci offre la sua luce. Il raggio di luce “abbandona” la stella, arriva ai nostri occhi e quindi ci permette di vedere com’è la stella (per la precisione, com’era al tempo in cui il raggio di luce ha abbandonato la stella).

Prima ho spiegato che anche la luce viene attratta dal buco nero. La forte gravità fa convergere i raggi di luce di tutte le galassie e di tutte le stelle che arrivano fino a noi, avvicinandole quasi in un unico punto. L’effetto è chiamato «lente gravitazionale».
Trovandoci al di sopra dell’orizzonte, vedremo tutte le particelle di luce convergere fino a noi (per poi scendere nel buco). L’impressione è, appunto, che stelle e galassie siano concentrate sopra di noi.

Approfondimento: lo spazio occupato dalle galassie e il loro colore

Qua sopra abbiamo ridotto all’osso, vediamo di specificare.
Se l’apertura del buco è di soli 3° di diametro, tutte le stelle e le galassie sono compresse. In questo caso vedremo al centro le galassie che sono effettivamente sopra di noi. Il 55% dello spazio tra il centro dell’apertura e il margine sarà occupato da galassie che si troverebbero in posizione “orizzontale” (cioè a 90° dallo zenit), e il 35% da galassie che si troverebbero sul lato opposto rispetto a noi.
E nelle zone restanti? Il 30% di spazio più lontano contiene una seconda immagine di tutte le galassie, mentre il 2% ancora più in là contiene una terza immagine.
Teniamo poi conto che i colori delle galassie sono “sbagliati”: la gravità fornisce più energia alle radiazioni e riduce le lunghezze d’onda. Per esempio, una galassia verde sarà vista come bagliori di raggi X, perché hanno lunghezza d’onda più corta.

Glossario

Buchi primordiali: buchi neri più piccoli di un atomo. Sono chiamati così perché sono stati creati unicamente durante il Big Bang.

Buchi rotanti: buchi neri che creano un vortice nello spazio attorno, più veloce all’avvicinarsi dell’occhio del ciclone. Furono descritti nel 1964 da Roy Kerr.

Disco di accrezione: l’anello di gas attorno al buco, tipico dei buchi con massa minore. In genere sono assenti nei buchi con grande massa, perché inghiottono i corpi celesti senza prima disgregarli.

Effetto di lente gravitazionale: l’effetto secondo cui i raggi luminosi delle galassie lontane vengono deflessi verso il basso a causa della forte gravità del buco, dando l’impressione a un osservatore che le galassie si trovino sopra la sua testa.

Entropia: è il logaritmo del numero che rappresenta tutti i modi possibili in cui atomi e molecole, presenti in una certa area spaziale, possono essere distribuiti senza che modifichino l’aspetto macroscopico di quell’area. Per la seconda legge della termodinamica, l’entropia può solo aumentare e mai diminuire: infatti, se qualche azione la cambia, questa emette energia o materia che vanno ad aumentare l’entropia.

Orizzonte degli eventi: superficie dello spazio-tempo che separa i posti da cui possono sfuggire segnali da quelli da cui nessun segnale può sfuggire. In pratica, è una regione dello spaziotempo oltre la quale non è più possibile osservare il fenomeno. E’ la superficie sferica che circonda la singolarità.

Singolarità: è un punto dello spaziotempo in cui il campo di gravità tende verso un valore infinito. L’universo che conosciamo è nato da una singolarità: il Big Bang.

Singolarità di Schwarzschild: vecchio nome con cui era chiamato il buco nero, dal fisico Karl Schwarzschild che nel 1916 calcolò la curvatura dello spaziotempo all’interno di una stella.

Fonti esterne

“Buchi neri e salti temporali”, di Kip Thorne

Copyright immagini

[01] http://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/nasa-knows/what-is-a-black-hole-k4.html
[02] http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/integral_blackholes.html
[03] http://pics-about.space/black-hole-wallpaper-1920×1200?p=1
[04] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole
[05] http://ngm.nationalgeographic.com/2014/03/black-holes/finkel-text

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