Non c'è termine scientifico che, negli ultimi anni, più del termine buco nero abbia catturato la fantasia popolare ed ispirato numerosi film, un'intera serie di telefilm, giochi elettronici, gadget, t-shirt. Per l'uomo della strada il buco nero è un pozzo senza fine dove, come ci propone il film "The Black Hole" (1), l'astronave Palomino verrà inghiottita ormai perduta per sempre, salvo riemergere in altri universi, in dimensioni alternative trampolino per viaggi nel tempo. Ma cos'è un buco nero? Raramente un termine scientifico è in grado di descrivere chiaramente il fenomeno a cui si rifersce come in questo caso. Un buco nero è semplicemente...un buco nero. Da un punto di vista scientifico questi mostri cosmici sono delle regioni dello spazio nelle quali il campo gravitazionale è così intenso che qualsiasi cosa giunga nelle sue vicinanze, viene irrimediabilmente catturata.
Un buco nero si forma quando una stella di grandi dimensioni (almeno tre volte la massa del nostro sole) esaurisce il carburante nucleare e tutta la sua materia collassa su se stessa. Come sappiamo la forza che si esercita sui ogni oggetto è proporzionale alla quantità di materia nelle sue vicinanze. Data l'enorme densità di materia che si raggiunge, si forma un campo gravitazionale di tale intensità che, ad esempio, una zolletta di zucchero arriverebbe a pesare decine di migliaia di tonnellate! In tali condizioni entro una certa distanza ogni cosa, compresa la luce, viene attratta ed inghiottita per sempre..
I nostri lettori più attenti ricorderanno che in un precedente articolo su questa rubrica (2) si è spiegato come la densità della materia ordinaria sia praticamente determinata dell'estensione delle nuvole elettroniche attorno al nucleo atomico. Poiché l'elettrone è molto meno pesante del nucleo, la nuvola elettronica è molto estesa. Questo fissa evidentemente un limite alla densità di materia raggiungibile in condizioni normali. Nelle stelle però la materia si trova nello stato di plasma: positroni e nucleoni non sono contornati dalle nuvole elettroniche e possono quindi addensarsi ed anche compenetrarsi facendo crescere la densità oltre ogni immaginazione.
Già Pierre Simon Laplace, un noto astronomo francese del 1700, immaginò esistessero corpi invisibili la cui tremenda gravità impediva alla loro stessa luce di raggiungerci. Alcuni anni prima anche l'inglese John Michtell aveva avuto la stessa idea. All'inizio del secolo scorso Albert Einstein (sempre lui!) trasformò queste fantasticherie in una concreta ipotesi scientifica. La relatività generale ci dice infatti che attorno ad ogni oggetto materiale lo spazio si curva. Facciamo un esempio considerando per semplicità uno spazio a due dimensioni: quello di un telo elastico teso quadrettato. In assenza di oggetti sulla sua superficie il telo è perfettamente piano, le linee tracciate sulla superficie sono rette a 90 °gradi. Se poggiamo su questo telo elastico una palla pesante il telo si curverà e le righe si curveranno tanto più quanto più vicino alla palla. Le linee più lontane ci appariranno ancora rette e il telo a grande distanza sarà ancora piano. Immaginiamo ora di aumentare la densità del corpo che determina la curvatura: il telo si curverà in una zona più ristretta e la profondità della deformazione crescerà . Questo esempio ci fa capire come si deforma lo spazio attorno alla stella la cui materia progressivamente si addensa. Lo spazio attorno si curva su se stesso tanto da creare un profondo pozzo in cui ogni oggetto che si trova in vicinanza cade. Se la densità cresce ancora, si forma un pozzo tanto profondo che i corpi catturati non possono più, in alcun caso, riemergere. Si è formato un buco nero attorno al quale esiste una linea di non ritorno, chiamata orizzonte degli eventi, una frontiera valicabile solo in una direzione dalla quale nulla può tornare indietro. Ogni corpuscolo materiale, ogni forma di energia (ricordiamo la famosa relazione E=mc2, per cui materia ed energia sono equivalenti) che superi l'orizzonte degli eventi viene catturata per sempre (3).
Poiché nessun segnale può provenire dal buco nero, si potrebbe pensare che questi siano destinati a restare per sempre affascinanti ipotesi di una teoria, inaccessibili ad ogni conferma sperimentale. Non è così. Quando una stella visibile ruota intorno ad un buco nero, l'orbita della stella visibile risente della presenza del compagno oscuro. Inoltre parte della sua materia gassosa viene risucchiata del compagno invisibile formando una grande spirale che si immette nel buco nero come l'acqua di un lavandino che si vuota finisce, ruotando, nel buco di scarico. In questo processo il gas si riscalda a migliaia di gradi e, prima di scomparire oltre la linea dell'orizzonte, emette raggi X che i nostri strumenti sulla terra possono rilevare. Tramite queste caratteristiche gli astrofisici negli ultimi decenni hanno identificato con certezza moltissimi buchi neri in tutte le regioni dell'Universo. La nostra stessa galassia ruota attorno ad un gigantesco buco nero!
Per molti anni i fisici hanno ritenuto che i buchi neri potessero essere la soluzione al mistero della materia oscura che, sappiamo (4), ci circonda invisibile. Recenti studi hanno però dimostrato che la materia oscura è ancora più misteriosa. Essa non è costituita da buchi neri ma da oggetti ancora più misteriosi e sfuggevoli ...ma questa è un'altra storia!
FILMOGRAFIA
(1)The Black Hole (1979): Regia di Gary Nelson; con: Maximilian Schell, Anthony Perkins, Robert Forster, Joseph Bottoms, Yvette Mimieux Ernest Borgnine. Tom McLoughlin;
(2) Extralarge : tutta questione di elettroni! (Vivavoce n. 63)
(3) Un recente film di fantasia ambientato nei Laboratori del Gran Sasso prende proprio il nome da questo effetto.
(4) REF MATERIA OSCURA
L'orizzonte degli eventi (2005):Regia di Daniele Vicari; con Valerio Mastandrea, Gwenaelle Simon, Giorgio Colangeli, Francesca Inaudi, Lorenzo Gioielli