I buchi neri sono tra gli oggetti più misteriosi dell’universo. La loro gravità è così intensa che nemmeno la luce può sfuggire, eppure la fisica moderna ha imparato a osservarli indirettamente, fotografarli e perfino ascoltare l’eco delle loro fusioni nelle onde gravitazionali. In questo articolo raccogliamo cinque cose sorprendenti sui buchi neri, scoperte negli ultimi decenni dall’astrofisica.
Cosa è davvero un buco nero
Un buco nero è una regione dello spazio-tempo in cui la gravità è talmente intensa che nulla, neppure la luce, può sfuggirne una volta superata una soglia chiamata orizzonte degli eventi. La teoria predittiva è la relatività generale di Albert Einstein del 1915. Il termine «buco nero» fu coniato però solo nel 1967 dal fisico americano John Wheeler. Esistono almeno tre categorie: buchi neri stellari (di alcune masse solari), supermassicci (milioni o miliardi di volte la massa del Sole) e intermedi.
1. Esiste un buco nero al centro di quasi ogni galassia
Per decenni i buchi neri sono stati considerati oggetti rari e marginali. Oggi sappiamo che al centro di praticamente ogni grande galassia, compresa la nostra Via Lattea, si trova un buco nero supermassiccio. Quello al centro della Via Lattea, chiamato Sagittarius A*, ha una massa pari a circa 4 milioni di Soli ed è stato fotografato per la prima volta nel 2022 dall’Event Horizon Telescope. La sua presenza era stata dimostrata indirettamente già negli anni Novanta studiando il moto delle stelle nelle sue vicinanze, ricerca che è valsa il Nobel per la Fisica 2020 a Reinhard Genzel e Andrea Ghez.
2. Quando due buchi neri si scontrano, fanno «vibrare» l’universo
Nel settembre 2015 il rilevatore LIGO negli Stati Uniti registrò per la prima volta un segnale di onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo previste da Einstein un secolo prima. Il segnale, chiamato GW150914, era stato prodotto dalla fusione di due buchi neri di circa 30 masse solari ciascuno, avvenuta a 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. In una frazione di secondo, durante quella collisione, fu liberata sotto forma di onde gravitazionali un’energia pari a circa tre masse solari, secondo l’equivalenza E=mc². La scoperta valse il Nobel per la Fisica 2017.
3. I buchi neri «evaporano» lentamente
Nel 1974 il fisico britannico Stephen Hawking propose una previsione contro-intuitiva: i buchi neri non sono perfettamente neri. A causa di effetti quantistici vicino all’orizzonte degli eventi, emettono una radiazione termica, oggi chiamata radiazione di Hawking. Questa emissione fa sì che, su tempi enormi, un buco nero possa lentamente perdere massa fino a evaporare completamente. Per un buco nero di una massa solare il tempo di evaporazione sarebbe però superiore di molti ordini di grandezza all’età attuale dell’universo. La radiazione di Hawking non è ancora stata osservata direttamente, ma è uno degli argomenti più studiati della fisica teorica.
4. Esistono buchi neri ultra-rapidi che ruotano quasi alla velocità della luce
I buchi neri non sono solo definiti dalla loro massa. Possiedono anche una velocità di rotazione, chiamata spin, che ne modifica drasticamente la struttura. Le osservazioni dei dischi di accrescimento – la materia incandescente che vortica attorno all’orizzonte – mostrano che alcuni buchi neri supermassicci ruotano a oltre il 90% della velocità della luce sulla loro superficie limite. Questo fa sì che lo spazio-tempo nelle loro vicinanze venga letteralmente «trascinato» dalla rotazione, un fenomeno chiamato frame dragging, previsto dalla relatività generale e verificato sperimentalmente.
5. La prima «fotografia» di un buco nero è del 2019
Il 10 aprile 2019 il consorzio internazionale Event Horizon Telescope (EHT) pubblicò la prima immagine diretta di un buco nero supermassiccio: quello al centro della galassia M87, distante 55 milioni di anni luce. L’immagine, l’ormai celebre «ciambella arancione», è il risultato della combinazione di otto radiotelescopi sparsi nel mondo, dal Cile al Polo Sud, che lavorando insieme hanno formato un telescopio virtuale grande quanto la Terra. La massa di quel buco nero è stimata in 6,5 miliardi di volte quella del Sole. Tre anni dopo, nel 2022, lo stesso consorzio ha pubblicato l’immagine di Sagittarius A*, il buco nero al centro della nostra galassia.
Buchi neri e fantascienza: cosa è realistico e cosa no
L’immaginazione popolare ha riempito i buchi neri di scenari fantascientifici, dai cunicoli spazio-temporali per viaggiare in galassie lontane ai portali verso universi paralleli. La realtà, come spesso accade, è più cauta. La teoria dei wormhole (cunicoli) è matematicamente consistente con la relatività generale ma richiede forme esotiche di materia mai osservate. Il famoso film Interstellar del 2014, supervisionato dal premio Nobel Kip Thorne, ha realizzato la rappresentazione visiva più accurata mai mostrata al cinema, basata su calcoli scientifici reali.
Cosa accadrebbe cadendo in un buco nero
Avvicinandosi a un buco nero, un osservatore esterno vedrebbe l’astronauta rallentare progressivamente, fino quasi a fermarsi all’orizzonte degli eventi, con la luce sempre più spostata verso il rosso. L’astronauta stesso, invece, non noterebbe nulla di particolare nell’attraversare l’orizzonte: continuerebbe a scendere verso la singolarità, il punto centrale di densità infinita, fino a essere distrutto da forze di marea estreme. Vicino a un buco nero molto piccolo questo effetto, chiamato pittorescamente «spaghettificazione», sarebbe brutale; vicino a uno supermassiccio, paradossalmente, l’attraversamento dell’orizzonte sarebbe quasi impercettibile.
I buchi neri primordiali
Una classe ipotetica di buchi neri molto interessante è quella dei buchi neri primordiali, che si sarebbero formati nei primissimi istanti dopo il Big Bang, non dal collasso di stelle. Alcuni cosmologi ipotizzano che possano costituire una frazione della materia oscura, la componente invisibile che secondo le osservazioni costituirebbe l’80% della materia dell’universo. Le ricerche con il telescopio spaziale James Webb stanno cercando di porre limiti più stringenti su quanti buchi neri primordiali possano esistere e su quale intervallo di masse.
L’enigma del paradosso dell’informazione
Uno dei problemi più dibattuti della fisica teorica contemporanea è il cosiddetto paradosso dell’informazione. La meccanica quantistica prescrive che l’informazione non possa essere distrutta, ma la radiazione di Hawking, essendo termica, sembrerebbe cancellare ogni traccia di ciò che è caduto nel buco nero. Risolvere questo paradosso è considerato uno dei passi chiave per costruire una teoria unificata di gravità quantistica. Per approfondire si può consultare la voce buco nero su Wikipedia.
Se ti appassiona l’astronomia, leggi anche il nostro articolo sulle 5 cose sorprendenti sulle stelle.
Domande frequenti sui buchi neri
Si può vedere un buco nero?
Non direttamente, perché non emette luce, ma se ne può fotografare l’ombra contro il disco luminoso di materia che vi cade dentro. È quello che ha fatto l’Event Horizon Telescope nel 2019 con M87* e nel 2022 con Sagittarius A*.
Cosa è l’orizzonte degli eventi?
È la superficie ideale che delimita un buco nero. Una volta attraversata, nulla, neppure la luce, può tornare indietro: è il punto di non ritorno gravitazionale.
Quanto è grande un buco nero?
Dipende dalla massa. Un buco nero di una massa solare ha un raggio dell’orizzonte di circa 3 chilometri. Quello al centro della Via Lattea, di 4 milioni di masse solari, ha un raggio di circa 12 milioni di chilometri.
I buchi neri possono inghiottire la Terra?
No, non esiste alcun buco nero abbastanza vicino alla Terra da rappresentare un rischio. Il più vicino conosciuto, Gaia BH1, si trova a circa 1.560 anni luce.
La radiazione di Hawking è stata osservata?
Non direttamente: per buchi neri di massa stellare è troppo debole per essere rilevata. Sono stati però realizzati esperimenti analogici in laboratorio che ne riproducono le proprietà.
Cosa è dentro a un buco nero?
Secondo la relatività generale al centro c’è una singolarità, una regione di densità infinita dove le leggi della fisica come le conosciamo cessano di valere. Le teorie di gravità quantistica cercano di sostituire questo concetto con qualcosa di fisicamente più trattabile.