Nulla può uscire da un buco nero. Ma che cosa succede lì dentro?

Il mistero oltre l'orizzonte degli eventi. La stella si comprime all'interno buco nero formando la "singolarità" spazio-temporale. E tutto il resto?

Nulla può uscire da un buco nero. Ma che cosa succede lì dentro?

Se siete arrivati fin qui, dovreste aver letto i due capitoli precedenti di questa piccola saga. Il primo (leggi) vi spiega perché il buco nero è "nero" e cosa è l’orizzonte degli eventi che lo definisce. Il secondo (leggi) analizza i tre processi di formazione dei buchi neri nello spazio interstellare per rispondere alle domande di chi si chiede come nascono questi corpi celesti.

Ripartiamo allora dall’ultimo capitolo. Se escludiamo i "buchi neri primordiali", frutto delle fluttuazioni di densità dei primi istanti di vita dell'Universo, in due casi su tre un buco nero deriva dalle stelle. Nel primo scenario, una stella molto grande arriva alla fine della sua vita: se quello che rimane, il nocciolo, ha una massa 3 volte quella del sole, esso collassa sotto il suo peso fino a formare un buco nero. Nel secondo scenario, invece, due stelle di neutroni (che sono noccioli di stelle di massa inferiore alle 3 masse solari), "spiraleggiano" attraendosi l'una con l’altra fino a scontrarsi. Da questo "crash cosmico" nasce una nuova stella di neutroni abbastanza pesante da comprimersi oltre il proprio orizzonte degli eventi.

Ci eravamo quindi lasciati con una domanda: che fine fa la stella che è collassata oltre l'orizzonte degli eventi, così come tutto quello che cade in buco nero e non può più uscirne? Abbiamo detto che l'orizzonte degli eventi possiamo "vederlo" riconoscendo l'effetto della sua attrazione gravitazionale su altri corpi celesti che vi orbitano intorno. Ma tutto ciò che supera questa barriera di non ritorno diventa invisibile per sempre a noi che siamo fuori. Per sapere cosa succede dentro un buco nero dobbiamo allora fidarci delle equazioni della relatività generale. In che senso? Ecco un esempio. Immaginate di avere un telo nero oltre il quale non riuscite a vedere nulla. Sapete solo che dall'altra parte c'è, ad una precisa distanza, un bersaglio. Lanciate una bella freccetta di quelle professionali di metallo. Essa bucherà il telo senza problemi e si andrà ad infilzare nel bersaglio. Dato che il telo è nero, non potete sapere se vi conviene esultare per un centro o giustificarvi goffamente per aver a malapena colpito il bersaglio. Un modo in realtà lo avreste, anche se non certo immediato: conoscendo la velocità e la direzione di partenza della freccetta dalla vostra mano, le equazioni del moto parabolico vi dicono esattamente quanti punti vi ha portato il tiro. Questo perché vi siete basati su un assunto molto ragionevole: che le equazioni che governano il moto della freccetta al di là del telo nero sono le stesse di quelle al di qua.

Per il buco nero possiamo fare una cosa simile. Come nei precedenti articoli abbiamo provato a spiegarvi, l'orizzonte degli eventi è una superficie immateriale: un pianeta che viene risucchiato dal buco nero non si schianta sull'orizzonte degli eventi e non si accorge nemmeno di averlo superato. Sembra ragionevole allora assumere che le equazioni che governano il moto degli oggetti fuori dal buco nero continuino a farlo anche dentro. Queste sono le equazioni della relatività generale. Quello che ci dicono è che qualsiasi oggetto che viaggia a velocità inferiore o uguale a quella della luce (e quindi tutto, leggi qui), non solo non può più uscire dall'orizzonte degli eventi, ma non può nemmeno starsene lì dentro a godere del meritato riposo, o andare a farsi un viaggio più al centro e poi "risalire" verso l'orizzonte degli eventi. È costretto invece a continuare a cadere fino ad essere schiacciato in un volume nullo al centro del buco nero!

Consideriamo allora una stella che forma un buco nero, diciamo con una massa 100 volte superiore a quella del sole. Quando, collassando, supera il suo stesso orizzonte degli eventi, questa stella è già compressa in una sfera di raggio pari a circa 300 km. Stiamo parlando di 100 volte la massa del Sole compressa nella distanza tra Firenze e Roma! O, se volete, la stessa densità che avreste comprimendo tutta la Terra in una sferetta di mezzo millimetro. Nel suo viaggio oltre l'orizzonte degli eventi, la stella è costretta a continuare a collassare raggiungendo in un millesimo di secondo una densità infinita, comprimendosi in un volume nullo al centro del buco nero e formando quella che in gergo tecnico si chiama "singolarità" spazio-temporale.

Per i lettori che ci hanno seguito sin dal nostro primo articolo (leggi qui), questo termine potrebbe risultare familiare. In quell’articolo iniziale, infatti, vi avevamo raccontato che la relatività generale predice l’esistenza di una singolarità anche all’inizio della vita dell’Universo: il famoso Big Bang. Vi avevamo poi raccontato che quando ci troviamo davanti a densità di energia estreme, ci aspettiamo che la relatività generale non sia più valida, dovendo essere rimpiazzata da una teoria che includa anche la meccanica quantistica. Abbiamo diverse proposte per una teoria completa e consistente di tale "gravità quantistica", ma nessuna è ancora perfetta. Molte di esse, però, sembrano dirci che le equazioni della relatività generale perdono validità poco prima che la singolarità si formi e che in realtà l'Universo attuale sia il risultato del "rimbalzo" ("Big Bounce") da una precedente fase di contrazione delle distanze.

Ci aspettiamo che la gravità quantistica entri in gioco anche nel caso della stella che sta per formare la singolarità all’interno del buco nero. Il suo effetto potrebbe essere quello di fermare il collasso della stella, facendole raggiungere un nuovo stato di equilibrio a queste densità estreme. Potrebbe causare anche un rimbalzo in stile Universo, riportando la stella fuori dal suo orizzonte degli eventi? Forse, ma solo se gli effetti della gravità quantistica si propagano anche lontano da queste densità altissime. Altrimenti, come abbiamo detto, niente potrà "risalire" verso l'orizzonte degli eventi. Oppure, e questa è un'altra ipotesi, potrebbe anche rimbalzare, ma in un Universo parallelo non accessibile a noi che siamo fuori dal buco nero.