Reazioni nucleari, crash stellari. Ecco come nasce un buco nero

Immaginate di rinchiudervi dentro un armadio. È tutto buio, totalmente nero. Di fronte a voi avete una camicia, nera pure questa. Se vi chiedessimo di descriverla, la reazione sarebbe scontata: "Come si fa? Non si vede". Risposta logica. La scorsa settimana (leggi qui) ci eravamo lasciati con questo assunto: i buchi neri sono corpi celesti completamente neri, immersi nello spazio interstellare (nero pure lui). Sono insomma la camicia nel nostro armadio. Eppure, pur non potendo "vederli", possiamo affermare che esistono. Come è possibile?

La spiegazione si trova nelle equazioni della relatività generale, attraverso le quali possiamo simulare i movimenti di stelle e altri oggetti intorno ad un buco nero. Osservando movimenti compatibili con queste equazioni, si può concludere che lì al centro è presente un buco nero. Stiamo cioè "vedendo" il buco nero perché riconosciamo l'effetto della sua attrazione gravitazionale sugli oggetti che passano nei paraggi. In un certo senso è simile a chiederci: come facciamo a sapere se un oggetto è un magnete o meno? La teoria del magnetismo dice che se avviciniamo un oggetto metallico ad un magnete, esso viene attratto. Ecco, così come scopriamo che un oggetto è un magnete "vedendo" l'effetto del suo campo magnetico su oggetti metallici, così scopriamo che in una certa regione dello spazio c’è un buco nero "vedendo" l'effetto del suo campo gravitazionale su corpi celesti.

La differenza è che il magnete possiamo vederlo anche con i nostri occhi, mentre il buco nero no, visto che - oltre a non averne (fortunatamente) uno appeso al frigorifero - essi si confondono con lo spazio interstellare. Come abbiamo detto nel precedente articolo, infatti, un buco nero non produce luce come le stelle, né la riflette come i pianeti. Nonostante ciò, quasi un anno fa, è stata annunciata al mondo la "prima foto di un buco nero" (guarda).

Questo strabiliante risultato è frutto di anni e anni di lavoro di una collaborazione mondiale di scienziati che va sotto il nome di "Event Horizon Telescope", il telescopio per fotografare l'orizzonte degli eventi. Ma se il buco nero non emette luce, quale luce è stata impressa sulla "pellicola" del telescopio? Anche in questo caso,stiamo parlando della luce emessa da qualcosa che orbita intorno al buco nero. Ma ciò che rende questa foto così importante e strabiliante, è che la luce catturata è quella emessa dal plasma che si forma molto vicino all'orizzonte degli eventi. Così vicino che nell'immagine possiamo veramente vedere un cerchio nero contornato dal plasma. Quel cerchio nero è l'orizzonte degli eventi del buco nero al centro di M87, una galassia che dista 53 milioni di anni luce dalla Terra! Il buco nero fotografato ha una massa pari a 6 miliardi di volte quella del sole! Numeri pazzeschi!

Un altro strumento a disposizione per osservare i buchi neri è quello delle onde gravitazionali. Per spiegare bene cosa sono ci servirebbe un intero articolo. Quello che è interessante accennare, però, è che osservando le onde gravitazionali si è "visto" per la prima volta un buco nero formarsi.

(Nel video la simulazione del buco nero fotografato dal telescopio Event Horizon Telescope)

E questo ci porta ad un altro quesito interessante: come nasce un buco nero? I processi possibili che conosciamo sono essenzialmente tre. Nel primo, il buco nero è il prodotto finale della vita di una stella molto grande. Vediamo come. Ogni corpo celeste, a causa della gravitazione, tende a collassare su se stesso. Ad una stella non succede perché le reazioni nucleari che avvengono al suo interno tendono a farla esplodere, contro-bilanciando il collasso gravitazionale. Quando però il carburante (l'idrogeno) finisce, la stella non brucia più e inizia a collassare finché, per una reazione particolare, esplode espellendo gran parte del materiale esterno. Resta dunque solo il nocciolo, incapace di produrre nuove reazioni nucleari. A seconda della sua massa, il nocciolo andrà a formare tipi diversi di corpi celesti di grandissima densità: nane bianche, stelle di neutroni o pulsar. Se la massa è superiore a circa 3 volte la massa del sole, il nocciolo collasserà sotto al suo peso fino a superare la famosa barriera di sola andata per formare un orizzonte degli eventi e, quindi, un buco nero.

(Nel video la simulazione di due stelle di neutroni che formano un buco nero)

Il secondo scenario è dovuto a fluttuazioni di densità nei primi istanti di vita dell’Universo: questi si chiamano buchi neri primordiali, ma ne sappiamo molto poco per approfondirli in questa sede. Il terzo processo, che è quello dal quale è partito questo detour, è dato da due stelle di neutroni che “spiraleggiano” una intorno all’altra fino a scontrarsi. Il prodotto di questo spettacolare scontro è una stella di neutroni molto pesante (più di 3 masse solari) che collassa quasi istantaneamente a formare un buco nero. Nel 2017 gli esperimenti LIGO in America e VIRGO a Cascina (Pisa) hanno rilevato il primo segnale di onde gravitazionali compatibile con questo processo di formazione.

Nel primo articolo di questa nuova serie abbiamo capito che quello che definisce un buco nero è il suo orizzonte degli eventi, una superficie sferica immateriale oltre la quale anche la luce è destinata a muoversi verso il centro. Oggi abbiamo capito che un buco nero si forma dal collasso di stelle di grande massa, o dallo scontro di stelle di neutroni che non avrebbero formato un buco nero da sole. La domanda che potrebbe sorgere è: ma 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? O in altre parole, cosa c’è dentro un buco nero? Come direbbero nelle migliori serie: lo saprete nella prossima puntata.

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