Un tuffo nel buco nero

Un tuffo nel buco nero

Era il maggio del 1981 quando su Topolino #1327 Paperon de’ Paperoni e i suoi nipoti intraprendevano il viaggio più incredibile e fantastico della loro carriera fumettistica.
Il satellite Paperon I delle Officine Aereospaziali de’ Paperoni aveva, infatti, compiuto un’impresa epocale: fotografare un buco nero!

Oggi 10 aprile 2019, quasi 38 anni più tardi, gli astronomi dell’ESO (European Southern Observatory) sono riusciti a fornire per la prima volta una fotografia del bordo esterno di un buco nero, il suo orizzonte degli eventi:

Prima di capire cosa è un buco nero, partiamo da lontano, con le così dette…

Stelle nere

Nel 1783, in una lettera inviata a John Cavendish e successivamente pubblicata in forma di articolo nel 1784 dalla Royal Society, il geologo, fisico e astronomo John Michell ipotizzava l’esistenza di una stella scura (o stella nera) che aveva delle caratteristiche inusuali per l’epoca: la sua massa e la sua densità erano tali per cui la velocità di fuga, ovvero la velocità necessaria per abbandonare la superficie di un corpo celeste, risultava superiore a quella della luce.
Un’idea simile venne espressa anche dall’astronomo e matematico francese Pierre Laplace nel 1796 nel suo famoso Exposition du Systeme du Monde:

Un astro luminoso, della stessa densità della Terra, e il cui diametro sia 250 volte quello del Sole, non permetterebbe, a causa della sua attrazione, ad alcuno dei suoi raggi di giungere fino a noi; è pertanto possibile che i più grandi corpi luminosi dell’universo possano, a causa di ciò, essere invisibili

Sin dal 1600, infatti, si riteneva la luce costituita da corpuscoli, concettualmente simili ai più moderni fotoni, e quindi soggetta alla gravità, mentre le osservazioni gioviane di Giovanni Cassini e del danese Ole Rømer, che per un breve periodo fu assistente di Cassini, indicavano che la velocità della luce dovesse essere finita. Quindi non deve stupirci che l’esistenza di un corpo celeste molto simile ai moderni buchi neri sia nata sin dalla seconda metà del 1700 (1) .
Per raffinare e arrivare all’idea moderna di una singolarità in grado di “strappare” lo spaziotempo in modo tanto forte e violento da impedire persino alla luce di sfuggire sarebbe stata necessaria la teoria della relatività di Albert Einstein, e le soluzioni particolari trovate successivamente da Karl Schwarzschild nel 1916 e da David Finkelstein nel 1958. In particolare fu quest’ultimo a introdurre il concetto di orizzonte degli eventi, la superficie che circonda il buco nero superata la quale è impossibile sfuggire alla sua attrazione gravitazionale.

Cos’è un buco nero?

Una buona e sintetica definizione, peraltro poco tecnica, viene fornita proprio nella storia che apre il Topolino #1327, Il tuffo nel black hole, scritta da Giorgio Pezzin per i disegni di Guido Scala:

Cosa ci trova di così fantastico Paperone in un buco nero? La possibilità di trasformarlo in una discarica cosmica per la Terra, motivo per cui i paperi intraprenderanno il viaggio fantastico di cui scrivevo all’inizio.
A un certo punto la Terra si trova sbalzata dalla sua orbita intorno al Sole e attratta inevitabilmente dal buco nero appena scoperto: l’ipotesi, estremamente fantastica, permette però di introdurre a un concetto essenziale per i buchi neri, l’orizzonte degli eventi.

Verso la singolarità e oltre

Seguendo la definizione di Roger Penrose, l’orizzonte degli eventi è la superficie intorno al buco nero che separa la zona del non ritorno, quella dalla quale non sfugge alcun segnale, neanche la luce, da quella dove sarebbe ancora possibile riuscire a sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero. Questa superficie è definita dal raggio di Schwarzschild:

r_s = \frac{2 G M}{c^2}

Torniamo, allora, alla fotografia di M87*, il buco nero al centro della galassia nota come Messier 87:

Mentre la zona scura che vediamo al centro è il buco nero, le zone colorate intorno a esso sono i fotoni che si trovano poco oltre il suo orizzonte degli eventi. La fotografia, però, non è stata scattata utilizzando la luce visibile, quella che ci permette di vedere gli oggetti che ci circondano, ma utilizzando le onde radio. In particolare queste sono state catturate da una rete di radiotelescolpi che, lavorando insieme, hanno funzionato più o meno come un radiotelescopio grande quanto il pianeta, l’Event Horizon Telescope (EHT). I dati raccolti dai radiotelescopi della rete erano talmente numerosi che sono stati necessari due anni per esaminarli: per avere un’idea di quanto grandi erano basti pensare che EHT ha raccolto qualcosa come 350 terabyte al giorno per telescopio, e stiamo parlando di una decina di radiotelescopi, giusto per contare i principali, alcuni dei quali a loro volta costituiti da una rete di radiotelescopi più piccoli. La scelta delle onde radio per fotografare un buco nero è dovuta al fatto che la maggior parte dell’energia intorno ai buchi neri supermassicci viene emessa proprio in quella banda. Inoltre è più semplice, rispetto ai telescopi ottici, realizzare una rete di radiotelescopi che, grazie all’interferometria, funzionano come un unico grande radiotelescopio.
L’immagine, infine, mostra un altro elemento interessante: c’è un’asimmetria nell’energia intorno all’orizzonte degli eventi, che indica come il buco nero sta ruotando. E qeusta osservazione è compatibile con i modelli e le simulazioni teoriche, come il famoso Gargantua di Interstellar, peraltro realizzato dal fisico teorico Kip Thorne:

O come la prima immagine simulata di un buco nero ruotante realizzata dal fisico-matematico Jean-Pierre Luminet nel 1979:

Spaghettificazione

Sul finire della prima puntata, la Terra viene sbalzata verso il buco nero scoperto dagli astronomi di Paperone: inizia così la parte fantascientifica della storia, con la cattura e il successivo attraversamento dell’orizzonte degli eventi fino al futuro remoto. In realtà, in maniera un po’ più sensata, ciò che avverrebbe è la così detta spaghettificazione, ovvero un allungamento degli estremi che costituiscono qualsiasi oggetto che attraversa l’orizzonte degli eventi.
Vediamo, però, come lo spiega Stephen Hawking (peraltro citato nel corso della conferenza stampa di oggi pomeriggio) in questo passaggio tratto dal bestseller Dal big bang ai buchi neri:

La gravità si indebolisce sempre più quanto più ci si allontana dalla stella, cosicché la forza gravitazionale che si esercita sui piedi del nostro intrepido astronauta sarebbe sempre maggiore di quella che si esercita sulla sua testa. La differenza fra le forze è tale da stirare il nostro astronauta come una fettuccina o da strapparlo in due o più parti prima che la stella si sia contratta fino al raggio critico a cui si forma l’orizzonte degli eventi! Noi crediamo però che nell’universo ci siano oggetti molto più grandi, come le regioni centrali di galassie, che possono subire anch’essi il collasso gravitazionale per produrre buchi neri; un astronauta che si trovasse in una di queste regioni non sarebbe lacerato prima della formazione del buco nero.
Egli non sentirebbe in effetti niente di speciale nel raggiungere il raggio critico, e potrebbe superare il punto di non ritorno senza neppure accorgersene. In capo a poche ore, però, al continuare del collasso gravitazionale della regione, la differenza nelle forze gravitazionali che si esercitano sulla sua testa e sui suoi piedi diventerebbe così grande da farlo di nuovo a pezzi.

In attesa della fotografia di Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia (2) , non resta che riascoltare un classico del rock:


Note:
  1. Per saperne di più:
    Schaffer, S. (1979). John Mitchell and Black Holes. Journal for the History of Astronomy, 10, 42. doi:10.1177/002182867901000104
    Montgomery, C., Orchiston, W., & Whittingham, I. (2009). Michell, Laplace and the origin of the black hole concept. Journal of Astronomical History and Heritage, 12, 90-96. 

  2. Ottenere la sua foto è più difficoltoso a causa di una massa inferiore di circa 1000 volte rispetto a quella di M87* e dunque di una maggiore velocità di rotazione che rende le cose un po’ meno stabili rispetto al collega più massiccio