ANATOMIA DI UN MICRO-BLACK-HOLE (II)

Parte seconda
Modelli non classici

La soluzione delle equazioni della Relatività generale di Einstein trovata da Schwarzschild, portò ad una conclusione dai risvolti stravolgenti tanto nel 1916 quanto nel 1983, dato che a quel tempo nulla di più dal punto di vista astrofisico era ancora coscientemente emerso.

Sin dal 1965 idee, sviluppi teorici e nuove soluzioni delle equazioni di Einstein si susseguivano circolando negli ambienti dell'astrofisica sperimentale, ma nulla ancora c'era di concreto. Il modello di Schwarzschild, sebbene alla luce delle conoscenze attuali ci possa apparire rozzo almeno quanto il modello di nebulosa primitiva di Immanuel Kant, sino al 1983 era quello con cui si faceva di più i conti. Così in uno scenario dove nulla di nuovo sembrava esserci, l'astronomia neutrinica appariva il mezzo migliore per osservare l'invisibile. In fondo, tentare di catturare i neutrini emessi durante un collasso gravitazionale per studiare e seguire le fasi con cui una stella termina la propria vita, magari diventando un black-hole, era la strada migliore.

La presenza di un orizzonte degli eventi, indica la formazione nello spazio circostante di una regione sferica nella quale qualunque cosa entri non è più in grado di uscire, quindi una cosa era certa, qualunque cosa fosse precipitata all'interno dell'orizzonte, luce o materia, man mano che si fosse avvicinata alla singolarità centrale, il campo gravitazionale l'avrebbe fatta collassare sino ad una singolarità puntiforme distruggendola. Il modello per essere fisicamente credibile doveva però essere applicabile ad un corpo realmente esistente, vale a dire ad una massa di gas autogravitante, cioè una stella, che in determinate condizioni può effettivamente collassare. Stando alla teoria, la materia durante il collasso avrebbe dovuto rimanere neutra e rotazionalmente immobile. Ci vuole poco a capire che un tale oggetto è molto poco realistico; tutti i corpi celesti, comprese le nubi cosmiche sono dotati di un moto di rotazione intorno al proprio asse, quindi di velocità angolare, che durante le fasi di collasso cresce rapidamente proprio come accade ad un pattinatore in rotazione quando trae a se le braccia e la gamba inizialmente estese.

Altre soluzioni delle equazioni di Einstein, se vogliamo più complete e credibili di quella di Schwarzschild, sono state ottenute sin dal 1965. La più importante è quella dovuta a Kerr e Newman che però solo nel 1983 è stata correlata da Shapiro e Teukolsky alla formazione di un black-hole e non a una stella di neutroni come inizialmente Kerr e Newman credevano.

I modelli di black-hole sono classificabili in base alle condizioni in cui si immagina collassare la stella:

1) Black-hole di Kerr e Kerr-Newman
Il caso di Kerr è il caso neutro del più generale modello di Kerr-Newman che si riferisce al collasso di oggetti stellari rotanti a cui è associata una carica elettrica, situazione decisamente più realistica di quella descritta dal modello di Schwarzschild.

(rappresentazione dell'ergosfera di un black-hole)

In questo caso la singolarità centrale non è un punto geometrico (menomale perchè ai fisici le singolarità puntiformi piacciono molto poco), ma a causa della rotazione degenera in un anello. Il modello prevede a seconda del valore di massa, del momento angolare e della carica elettrica, la formazione di black-hole con differenti caratteristiche: (a) nudo, cioè privo di orizzonte degli eventi; (b) con due orizzonti; (c) di Kerr-Newman estremo con un solo orizzonte.

Nel caso (a) esiste solo la singolarità ad anello visibile da un qualunque osservatore esterno, ma per la congettura del censore cosmico di Roger Penrose questa non può esistere. Infatti una singolarità prodotta in un collasso gravitazionale potrebbe essere trasformata in un black-hole di tipo (a) solo variandone il momento angolare mediante la cattura di nuova materia. Questa circostanza fornirebbe al sistema anche nuova massa, impedendo il raggiungimento delle condizioni previste per la scomparsa dell'orizzonte degli eventi. Lo stato nudo non è perciò raggiungibile, ma in linea di principio è possibile per black-hole primordiali, cioè prodotti in quel particolare stato durante le fasi inziali dell'Universo.

Nei casi (b) e (c), in prossimità della superficie dell'orizzonte degli eventi è presente l'ergosfera o sfera delle forze gravitazionali. Il campo di forza origina un vortice in grado di trascinare nel suo moto di rotazione sia la materia che lo stesso spazio-tempo. Nessuna particella catturata può rimanere ferma, tutte partecipano alla rotazione dell'ergosfera formando un disco di accrescimento. La materia accelerata in un moto a spirale, cade sotto l'orizzonte degli eventi a velocità relativistica emettendo radiazione X e gamma, la stessa radiazione osservata nei quasar che prima di oggi non potevamo riconoscere come marker della presenza di un black-hole. Ora invece sappiamo che i quasar, oggetti misteriosi nel passato, non sono altro che galassie neonate, visibili a grandissima distanza dall'osservatore (cioè nel passato dell'Universo), catalizzate come tutte dalla presenza al loro interno di black-hole supermassicci, osservabili oggi in tutti i nuclei galattici compreso il nostro.

Nei black-hole con due orizzonti, caso (b), l'orizzonte più interno offre qualche bizzarria spazio-temporale. Detto orizzonte di Cauchy, questo delimita una regione in cui spazio e tempo invertono i loro consueti ruoli, ovvero un osservatore in caduta verso la singolarità che superi questo orizzonte viaggia nel tempo, ma nel nostro modo umano di percepire lo spazio-tempo è molto difficile comprendere cosa questo voglia dire e quali possano essere le implicazioni fisiche nel nostro mondo. Di certo c'è che la particolare forma della singolarità, un vero e proprio anello, consentirebbe ad un osservatore di attraversarlo al centro non risentendo quasi per nulla delle forze di marea gravitazionale che si produrebbero. Questa particolare situazione corrisponderebbe per l'osservatore a imboccare l'ingresso di un wormhole che lo porterebbe ad uscire attraverso un white-hole (una inversione temporale del black-hole di cui ne mantiente tutte le caratteristiche per un osservatore che non lo attraversa) da qualche altra parte dello spazio-tempo.

2) Black-hole di Reissner-Nordstrøm

Quest'ultimo può essere considerato un caso particolare di Kerr-Newman, fino a prova contraria puramente teorico, dotato di carica elettrica ma non è in rotazione. Come nel caso di Kerr-Newman, il modello prevede la presenza di un doppio orizzonte che tende però a scomparire originando un black-hole nudo, ma soggetto a tutte le limitazioni previste dalla censura cosmica, quando la carica diventa sufficientemente grande.

Alla ricerca dei black-hole

Dalla fine degli anni ottanta ad oggi, prima grazie all'Hubble Space Telescope (1990), poi con l'astronomia gamma e X e ora con il satellite Chandra dedicato all'osservazione del cielo nell'invisibile, oggetti insospettabili si sono rivelati essere dei black-hole. Piccoli, grandi, orbitanti intorno a stelle compagne, supermassivi grandi anche più di 70 milioni di masse solari come quello al centro di M81 o 3,7 milioni di masse solari come quello nel nucleo della nostra via lattea, la loro presenza è reale e sempre più visibile. Programmi di ricerca basati sull'osservazione in ottico del moto di stelle intorno a compagne invisibili, ma anche al di fuori della regione del visibile, ci hanno dato la conferma che i modelli sviluppati e di conseguenza la relatività generale di Einstein sono corretti, questo significa che le sorprese non finiscono qui. Purtoppo, né l'astronomia neutrinica, né l'astronomia delle alte energie ci hanno ancora permesso di osservare dal vivo le fasi di formazione di un black-hole, anche se di successi ce ne sono stati molti.

Recentemente Chandra ha permesso di verificare che in una regione compresa nel raggio di 70 anni luce da Sagittarius A, c'è una zona che si estende per un raggio di tre anni luce intensamente popolata da buchi neri relativamente piccoli. Sono ciò che resta dall'implosione di stelle con una massa di poco superiore a dieci volte quella del Sole. Nel corso di miliardi di anni questi oggetti si sono progressivamente spostati verso il centro della galassia trascinando con sé stelle di massa minore e sconvolgendo l'equilibrio dei sistemi binari incontrati catturando la stella di neutroni e cannibalizzandone la compagna.

Sequenza reale di cannibalizzazione di una stella
da parte di una compagna black-hole

Centinaia di nuovi sistemi binari composti da un black-hole e da una stella di neutroni si sono in questo modo formati. I dati forniti dal telescopio Chandra ci aiuteranno ora a comprendere quali sono stati i meccanismi di accrescimento di Sagittarius A che è ancora destinato a crescere, infatti nell'arco di pochi miliardi di anni circa 10.000 oggetti tra black-hole, stelle di neutroni e stelle, saranno inevitabilmente ingoiati dal black-hole centrale accrescendone del 3% la massa.

(continua)

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