Voyager

1.

Introduzione

Buco nero Corpo celeste dotato di un campo gravitazionale talmente intenso da attirare a sé tutta la materia circostante e da trattenere perfino la luce e ogni altro tipo di radiazione elettromagnetica. Il campo gravitazionale che lo caratterizza è tale che la materia al suo interno viene compressa in uno stato a densità pressoché infinita. Il concetto di buco nero venne sviluppato per la prima volta nel 1916 dall’astronomo tedesco Karl Schwarzschild sulla base della teoria della relatività generale di Albert Einstein.

2.

Formazione

I buchi neri rappresentano lo stadio finale dell’evoluzione delle stelle più massive. Quando il combustibile nucleare di una stella si esaurisce, la pressione verso l’esterno, associata al calore prodotto dalle reazioni nucleari, non è più sufficiente per contrastare il processo di contrazione gravitazionale dell’astro.

In queste condizioni, secondo la massa della stella, questa può degenerare in una nana bianca, nel caso di massa modesta paragonabile a quella del Sole, oppure in una stella di neutroni, nel caso di massa maggiore. Se la massa del nucleo stellare che rimane al termine dell’evoluzione della stella supera un valore pari a tre masse stellari, la contrazione gravitazionale è talmente forte da dare origine a un buco nero.

3.

Proprietà

Il modello corrente di buco nero prevede che esso sia delimitato da una superficie sferica ideale, detta “orizzonte degli eventi”, che segna il limite attraverso il quale la luce può entrare ma non uscire. Il raggio di questa superficie, detto “raggio di Schwarzschild”, è dato dalla formula R = MG/c², dove m indica la massa del buco nero, G la costante di gravitazione universale e c la velocità della luce. Riformulando la relazione in funzione della massa del Sole, si trova che R = 3(M/Ms) km; partendo da quest’ultima formula, è facile verificare che un ipotetico buco nero della massa del nostro Sole avrebbe un raggio pari a soli 3 km (il raggio del Sole, per confronto, è di circa 700.000 km).

Secondo la relatività generale, in prossimità di un buco nero la forza gravitazionale altera in maniera sensibile lo spazio-tempo. In particolare, il tempo rallenta man mano che ci si avvicina, dall’esterno, all’orizzonte degli eventi, e si ferma completamente sull’orizzonte stesso. Inoltre, la stessa forza gravitazionale è responsabile di un altro fenomeno previsto dalla teoria della relatività generale, ossia dell’incurvamento della luce: un raggio di luce, notoriamente rettilineo, che passasse in vicinanza di un buco nero, verrebbe incurvato dal suo campo gravitazionale e deviato dalla linea retta. Tale fenomeno prende il nome di lente gravitazionale. Al limite, a una distanza pari al raggio di Schwarzschild, il raggio di luce si avvilupperebbe intorno al buco nero senza poter più proseguire.

4.

“Osservazione” dei buchi neri

Poiché i buchi neri non emettono radiazioni, non possono essere osservati in modo diretto come tutti gli altri corpi celesti. La loro rilevazione, dunque, avviene in modo indiretto, attraverso gli effetti gravitazionali che essi producono nello spazio circostante. In particolare, gli scienziati attualmente ricercano i buchi neri tra i componenti invisibili di sistemi stellari binari, e soprattutto tra quelli sorgenti di raggi X. In questi casi, ci si accorge della presenza di un buco nero dal moto orbitale compiuto da una stella intorno a un invisibile centro di massa. Se poi questa stella è una gigante rossa, i gas e le polveri dei suoi strati più esterni vengono risucchiati dal campo gravitazionale del buco nero e vanno ad addensarsi in una struttura discoidale chiamata “disco di accrescimento”. Da qui, lentamente, per effetti gravitazionali e magnetici, collassano sul buco nero, emettendo radiazione X.

Uno dei buchi neri ipotizzati dagli astronomi si potrebbe trovare in corrispondenza di Cygnus X-1, una stella probabilmente doppia, nella quale la componente primaria è rappresentata da una stella di massa pari a circa 30 masse solari. Lo spostamento delle linee dello spettro di emissione, dovuto all’effetto Doppler, lascia supporre un suo moto orbitale intorno a un ipotetico compagno. Un’emissione simile a quella che si osserva per Cygnus X-1 è generalmente prodotta da un disco di accrescimento. Dato l’elevato valore della massa, il compagno in Cygnus X-1 potrebbe essere proprio un buco nero.

Altri possibili buchi neri osservati sono due sorgenti di raggi X situate nella vicina galassia della Grande Nube di Magellano (vedi Nubi di Magellano), nella costellazione dell’Unicorno e al centro della galassia M87.