ANATOMIA DI UN MICRO-BLACK-HOLE (I)

Parte prima - I black-hole stellari

Alberto Masani, grande astronomo italiano e mio professore di astrofisica, definiva le stelle nascenti come globi di gas autogravitanti. Era il 1978 e proprio in quegli anni sempre di più negli ambienti della ricerca in astrofisica e cosmologia si sentiva parlare della possibile reale esistenza di buchi neri, black-hole in inglese, come uno dei possibili stati finali in cui proprio a causa dell'autogravitazione, una stella poteva terminare la propria vita evolutiva. Infatti, dal punto di vista teorico un black-hole poteva essere originato durante il collasso gravitazionale di una stella con massa superiore a certi valori critici, circa tre volte la massa solare, anche se come vedremo questo non è del tutto esatto. Il collasso gravitazionale è in generale causato dall'incapacità della stella di autosostenersi, cioè quando la pressione generata dall'energia emessa dal nucleo stellare sotto forma di radiazione termica e luminosa, non è più sufficiente a contrastare l'azione attrattiva della gravità sulla massa degli strati di materia che via via formano la stella a partire dal centro sino all'esterno, il volume stellare inizia gradualmente a contrarsi aumentando la densità e favorendo l'innesco di nuove reazioni termonucleari e l'emissione di nuova energia. L'energia prodotta può avere l'effetto di riespandere il volume stellare stabilizzandolo, ma se è insufficiente a bilanciare la contrazione gravitazionale, come un palloncino forato la stella si contrae emettendo nello spazio esterno parte della sua energia. La densità del nucleo stellare aumenta a questo punto molto rapidamente, raggiungendo livelli critici di non ritorno, oltre ai quali la materia proseguendo la sua caduta verso il centro della stella scompare sotto una frontiera chiamata orizzonte degli eventi. All'epoca, le strumentazioni e le tecniche per quanto sofisticate non erano in grado di dimostrare l'esistenza dei black-hole in quanto non era assolutamente chiaro quale potesse essere la strategia migliore per cercarli.

L’ideazione dei black-hole, contrariamente a quanto comunemente si crede, non è un fatto recente. Il concetto risale al 1783, quando John Michell, in una lettera a Henry Cavendish, suggerì che la velocità di fuga di un corpo dalla superficie di un astro avrebbe potuto in certe condizioni risultare superiore alla velocità della luce. Data l'invalicabilità fisica per luce e materia di questo limite, nulla, nemmeno la luce avrebbe potuto abbandonare la superficie dell'astro e questa circostanza avrebbe dato luogo a quella che allora venne chiamata dark star. Il termine attuale è dovuto invece al fisico John Archibald Wheeler, scomparso il 13 aprile scorso, che descrisse con il termine black-hole la teorizzata capacità di questi corpi di non emettere più nulla.
Successivamente alla pubblicazione della teoria della relatività generale, apparì subito chiaro che la soluzione delle equazioni di Einstein era compatibile con un campo gravitazionale a simmetria sferica molto simile al campo newtoniano. La soluzione delle equazioni di Einstein, non è però dovuta ad Albert Einstein ma bensì a Karl Schwarzschild. La soluzione di Schwarzschild implica la formazione nell'intorno della sorgente gravitazionale di una superficie sferica ideale detta appunto orizzonte degli eventi, un limite ideale al cui centro si realizza una singolarità spazio-temporale (un punto geometrico) nella quale viene a concentrarsi tutta la materia risucchiata e lo stesso spazio-tempo.

Simulazione di un black hole sullo sfondo del centro galattico

Se un corpo per effetto del collasso gravitazionale riduce il suo raggio sotto l'orizzonte degli eventi, la materia che cade all'interno dell'orizzonte non è più in grado di uscirne perché la propria velocità di fuga dovrebbe essere superiore alla velocità della luce, cosa che è fisicamente impossibile. Poiché anche la luce è sensibile agli effetti attrattivi della gravità, nulla può più sfuggire dall'orizzonte che diventa totalmente buio, quindi invisibile a qualunque osservazione tranne a quella gravitazionale.
Dal punto di vista teorico, un black-hole può generarsi da un collasso gravitazionale di una stella solo se la sua densità di materia diviene tale da produrre un orizzonte degli eventi che stia all'esterno del raggio dell'astro, cioè se il raggio stellare è più piccolo del cosiddetto raggio di Schwarzschild che definisce la soglia dell'orizzonte. L'orizzonte cresce man mano che altra materia cade al suo interno.

Teoria a parte, affinché una teoria sia accettabile occorre che sia verificata e per verificarla occorreva in primo luogo accertare l'esistenza dei black-hole almeno dal punto di vista osservativo e per questo era fondamentale capire se una densità di materia tanto alta da formare una singolarità spazio-temporale fosse realmente raggiungibili come effetto di un collasso gravitazionale stellare. Per Einstein i risultati ottenuti da Schwarzschild erano inconsistenti con la teoria della relatività generale, in quanto per raggiungere una simile densità le particelle di materia avrebbero dovuto superare la velocità della luce cosa che è in contrasto con la teoria stessa della relatività ristretta: in altri termini, l'orizzonte degli eventi non può contenere una singolarità fisica (nella soluzione di Schwarzschild, la singolarità è geometrica ed è collocata nell'origine delle coordinate), ma deve contenere una distribuzione di materia con una densità tale da permettere l'attraversamento dell'orizzonte degli eventi solo dall'esterno verso l'interno. Stando a quanto appena detto, sarebbero più realistici dei black-hole privi di singolarità interna, associati ad uno stato di materia più densa di quella di una stella di neutroni, ma non densa al punto di generare una singolarità spazio-temporale.

Secondo le teorie evolutive attuali, un black-hole può formarsi da una stella che ha una massa superiore a circa tre masse solari (limite di Chandrasekhar), ma questo è solo teorico in quanto a causa di numerosi processi dissipativi la stella durante il collasso è soggetta a perdita di massa quindi solo stelle con masse di almeno dieci masse solari possono realisticamente diventare dei black-hole.

Nel corso degli anni numerose sono state le osservazioni astronomiche che via via sono state associate alla presenza di black-hole ma solo negli ultimi quindici anni i sospetti per alcune di esse sono diventati evidenza. Negli anni ottanta alcuni astrofisici, ipotizzarono che nelle immediate vicinanze di un black-hole la materia accelerata, in rotazione intorno all'orizzonte degli eventi, doveva essere soggetta ad una intensa emissione X e gamma, una sorta di effetto faro, proprio quella radiazione poteva essere il marker della loro presenza. L'Hubble space telescope, riuscì poi a mettere in evidenza che alcuni ammassi stellari come M15 e G1 contengono dei black-hole massivi che alterano il periodo di rotazione di alcune stelle. Alcune galassie poi, apparivano distorte per l'effetto di lente gravitazionale dovuto ad intensi campi gravitazionali di corpi vicini, non apparentemente ragionevolmente massivi da poter causare tale effetto. Da quel momento ci si rese conto che molti oggetti già noti e insospettabili erano dei black-hole. Alcuni erano i partner invisibili di stelle doppie, altri erano all'interno di residui di supernove e altri ancora supermassivi si trovavano al centro di galassie e ammassi noti da secoli e ne costituivano il motore gravitazionale di aggregazione stellare.

Anche la nostra galassia, la Via lattea, ne contiene molti, tra cui il più grande nel suo nucleo. (continua)