Buchi neri: cosa sono e come si formano

Buchi neri: cosa sono e come si formano A cura di Francesca Cusa.

Cosa sono i buchi neri, come si formano, come vengono classificati, cosa c'è dentro e che cosa sono i buchi neri supermassicci

1I buchi neri: premesse

Probabile aspetto di un buco nero
Probabile aspetto di un buco nero — Fonte: istock

Ognuno di noi ha sempre sentito parlare di buchi neri ma nessuno è mai riuscito ad osservarli realmente. I buchi neri sono, infatti, parti dell’universo misteriose, affascinanti, non visibili ai nostri occhi. Essi non sono in grado di emettere alcun tipo di luce e vengono considerati come gli oggetti più distruttivi presenti nell’universo.     

I buchi neri, non essendo in grado di emettere alcun tipo di radiazione, non possono essere studiati in nessun modo e solo con l’ausilio delle nozioni di fisica e matematica è possibile immaginarli nel modo più realistico possibile.   

2Cosa sono i buchi neri?

Il sole
Il sole — Fonte: ansa

Un buco nero è una regione dello spazio in cui il campo gravitazionale è così forte che qualsiasi cosa giunga nelle vicinanze viene attratta e catturata, senza possibilità di sfuggire all’esterno. In teoria si può paragonare un buco nero ad una Stella, caratterizzata da una massa dieci volte superiore a quella del Sole, che si contrae, aumenta la sua densità e crolla sotto il proprio peso concentrando la propria massa in un unico punto detto, appunto, buco nero.    

Il buco nero formatisi è caratterizzato da una gravità talmente forte da far perdere la propria identità e la propria luce a qualsiasi segnale luminoso o particella attratti, impedendone la “fuga” e rendendo il corpo interessato totalmente invisibile a qualsiasi osservazione.  

Nemmeno un raggio di luce è in grado di sfuggire alla “cattura” di un buco nero, nonostante la luce abbia una velocità elevata: questo si verifica perché il buco nero, non essendo in grado di emettere radiazione, non può essere visto essendo totalmente oscuro

È doveroso però precisare che i buchi neri, gli oggetti universali in grado di implodere su sé stessi ma mai di esplodere, non catturano tutto ciò che sta intorno a loro ma riescono ad “inghiottire” solo i corpi che sono più vicini: questo avviene perché l’attrazione gravitazionale è inversamente proporzionale alla distanza del corpo considerato.  

3Origine dei buchi neri

L'aspetto di un buco nero
L'aspetto di un buco nero — Fonte: istock

Alcuni astrofisici sostengono che almeno un buco nero si trovi al centro di ogni galassia o al centro dei quasar, dei corpi celesti molto distanti dalla Terra costituiti da ammassi di stelle e considerati delle sorgenti di radiazioni molto intense.    

I buchi neri sono stati oggetto di studi da parte di molti astrofisici ma, non avendo a disposizione dei dati sperimentali affidabili, non si ha alcuna certezza. Tuttavia, secondo alcuni studiosi, la forza intensa esercitata dai buchi neri sui corpi vicini ha permesso di captare un sistema binario di stelle, in cui una stella ed un buco nero si trovavano associati in un unico sistema. È proprio qui che la stella verrebbe perturbata dall’azione del campo gravitazionale del buco nero e che quest’ultimo resterebbe invisibile.    

L’azione del buco nero presente nel sistema binario è quella di “strappare” il gas presente all’esterno della stella, attrarlo verso di sé dando origine ad un vero e proprio disco che ruota intorno al proprio asse. A questo punto, i gas “strappati” raggiungono temperature elevatissime ed emettono raggi X, permettendo la “rivelazione” del buco nero.   

Costellazione del cigno
Costellazione del cigno — Fonte: istock

È possibile assistere a questo meraviglioso spettacolo osservando la Costellazione del Cigno, una delle tre costellazioni che caratterizza il cielo estivo e che viene così chiamata per la figura dell’uccello presente lungo la nostra galassia. Nella Costellazione del Cigno vi sono diverse stelle doppie ed una sorgente di raggi X chiamata Cygnus X – 1: si tratta di una coppia di stelle formata da una stella gigante ed un buco nero.    

4Classificazione dei buchi neri

I buchi neri vengono classificati in base alla loro massa M, indipendentemente dal loro momento angolare Q o dalla loro carica elettrica J. Esistono fondamentalmente quattro categorie di buchi neri:

  • supermassicci
  • di massa intermedia
  • stellari
  • micro buchi neri
Classificazione dei buchi neri
Classificazione dei buchi neri — Fonte: redazione

I buchi neri supermassicci sono i più grandi tipi di buchi neri caratterizzati da una massa milioni di volte superiore rispetto a quella del Sole. Essi sono caratterizzati da una densità media inferiore rispetto a quella dell’acqua ed inversamente proporzionale al quadrato della sua massa. In base ai numerosi studi effettuati, si ritiene che almeno un buco nero supermassiccio sia presente al centro di ogni galassia, inclusa la Via Lattea.     

La Via Lattea
La Via Lattea — Fonte: ansa

I buchi neri di massa intermedia si trovano al centro degli ammassi stellari e presentano una massa decisamente inferiore rispetto a quella presente nei buchi neri supermassicci. L’origine di questa tipologia di buchi neri è incerta: alcuni studiosi affermano che essi si siano formati in seguito al collasso gravitazionale di una stella, altri studi li ritengono il risultato della collisione di stelle massicce in ammassi stellari.   

I buchi neri stellari, come la maggior parte dei buchi neri, sono caratterizzati da tre grandezze fondamentali: massa (circa trenta volte superiore rispetto a quella del Sole), carica e momento angolare. Questa tipologia di buchi neri ha origine dal collasso gravitazionale di una Stella massiccia: la temperatura tende quindi a diminuire e la stella si contrae fino a collassare su sé stessa. A questo punto, il volume diminuisce progressivamente creando un oggetto miliardi di volte più piccolo di quello originario.   

L'astrofisico britannico Stephen Hawking
L'astrofisico britannico Stephen Hawking — Fonte: ansa

I micro buchi neri sono anche chiamati buchi neri microscopici e sono caratterizzati da una massa circa uguale a quella del Sole. Un ruolo fondamentale nella “vita” di questa tipologia di buchi neri è rappresentato dalla meccanica quantistica. I micro buchi neri tendono ad evaporare velocemente a causa della loro piccola dimensione mediante un processo noto come radiazione di Hawking. Tale processo porta all’improvvisa emissione di particelle elementari nel momento in cui il buco nero improvvisamente esplode.      

5Proprietà fisiche dei buchi neri

La relazione da soddisfare
La relazione da soddisfare — Fonte: redazione

In generale, i buchi neri più semplici sono caratterizzati da una massa M e dall’assenza di carica elettrica J e momento angolare Q. Essi vengono anche chiamati buchi neri di Schwarzschild. La massa che caratterizza ciascun buco nero è sempre identificata con un valore positivo qualsiasi mentre la carica e il momento angolare dipendono dal valore assunto dalla massa e sono tenuti a soddisfare, per un buco nero di massa M, la relazione nell'immagine.    

Raggio di Schwarzschild
Raggio di Schwarzschild — Fonte: redazione

Quando i buchi neri soddisfano tale disuguaglianza vengono chiamati estremali. Secondo la fisica teorica, affinché un corpo possa essere definito buco nero, il suo raggio deve essere inferiore al raggio di Schwarzschild. RS è il raggio di Schwarzschild, M la massa del corpo, G la costante di gravitazione universale e c la velocità della luce.  

6Velocità di fuga dei buchi neri

Qualsiasi corpo presente sulla Terra è soggetto all’azione del campo gravitazionale. Se ad esempio tiriamo verso l’alto una palla, essa raggiungerà la massima altezza e poi ricadrà inevitabilmente al suolo per l’effetto della forza di gravità. L’altezza massima raggiunta dalla palla dipenderà dalla velocità iniziale: maggiore sarà la velocità iniziale, maggiore sarà l’altezza raggiunta. Esiste però una velocità iniziale tale da impedire alla palla di ricadere al suolo: quella velocità è noto come velocità di fuga.   

Velocità di fuga
Velocità di fuga — Fonte: redazione

La velocità di fuga di un corpo celeste è la velocità iniziale indispensabile affinché tale corpo riesca ad opporsi e “sfuggire” all’attrazione del campo gravitazionale. Essa dipende esclusivamente dalla massa e dal raggio del corpo celeste e si calcola con la formula accanto: dove M è la massa del corpo, G la costante di gravitazione universale ed R il raggio. È facilmente intuibile che più sarà forte il campo gravitazionale generato, maggiore sarà la velocità di fuga.    

7Orizzonte degli eventi

Una caratteristica peculiare di ogni buco nero è l’orizzonte degli eventi, una superficie immaginaria caratterizzata dal fatto che in ogni suo punto la velocità di fuga e la velocità della luce si equivalgono. Se all’interno dell’orizzonte degli eventi si verifica un evento, questo non può essere visibile da un osservatore esterno: è visibile solo ciò che avviene all’esterno dell’orizzonte degli eventi. 

Buco nero nello spazio
Buco nero nello spazio — Fonte: istock

La forma dell’orizzonte degli eventi è pressoché sferica e la sua posizione è fortemente influenzata dalla massa del buco nero: se la massa è il doppio di quella del Sole, il raggio della regione invisibile è circa 6 km.  

Inoltre, se un raggio di luce passa abbastanza vicino all’orizzonte degli eventi, ma comunque al di fuori di esso, il raggio viene incurvato a causa dell’attrazione del campo gravitazionale del buco nero riuscendo a proseguire il suo percorso. Se invece entra all’interno dell’orizzonte degli eventi non potrà più uscire.   

8Curiosità

Il buco nero Sagittarius A*
Il buco nero Sagittarius A* — Fonte: ansa
  1. L’Event Horizon Telescope (EHT) è un formidabile strumento virtuale che ha permesso di fotografare, nell’Aprile del 2017, il buco nero Sagittarius A* che è quattro volte più massiccio del Sole.
  2. Un gruppo di astronomi dell’INAF (Istituto Nazionale di Astronofisica) ha scoperto un buco nero supermassivo che sta “scappando” dal centro galattico.
  3. Analizzando una nube di gas presente in un angolo remoto della Via Lattea, un gruppo di astronomi ha scoperto al suo interno un buco nero.

Einstein sbagliò quando disse: «Dio non gioca a dadi». La considerazione dei buchi neri suggerisce infatti non solo che Dio gioca a dadi, ma che a volte ci confonda gettandoli dove non li si può vedere

Stephen Hawking