Gli scienziati hanno scoperto davvero i buchi neri?

SEMBRA fantascienza: stelle un tempo splendenti che diventano invisibili, inghiottite dalla loro stessa gravità a cui nulla riesce a sfuggire, nemmeno la luce. Molti astronomi ritengono che questi oggetti, i buchi neri, siano comuni nell’universo. Vorreste saperne di più sull’argomento? Il punto di partenza è la bellissima costellazione boreale del Cigno.

Cygnus X-1: un buco nero?

Sin dagli anni ’60 gli astronomi studiano con interesse una certa regione della costellazione del Cigno. Osservatori messi in orbita al di fuori dell’atmosfera terrestre scoprirono in questa regione una potentissima sorgente di raggi X, che fu battezzata Cygnus X-1.

Gli scienziati sanno da tempo che più un oggetto è caldo, più energia irradia sotto forma di onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda minore. Se riscaldate un pezzo di ferro fino a farlo diventare incandescente, dapprima diventerà rossastro, poi, man mano che la temperatura del ferro aumenta, diventerà giallo e quindi bianco. In questo senso, le stelle si comportano come sbarre di ferro. Le stelle relativamente più fredde, la cui temperatura si aggira sui 3.000 K, sono rossastre, mentre una stella gialla, come il Sole, ha alla superficie una temperatura vicina ai 6.000 K.a Ma per ottenere la radiazione X che proviene da Cygnus X-1 bisognerebbe riscaldare il gas stellare a temperature di milioni di kelvin. Nessuna stella ha una simile temperatura superficiale.

Nel luogo dove c’è Cygnus X-1 gli astronomi hanno scoperto una stella con una temperatura superficiale stimata di 30.000 K: caldissima, ma assolutamente non abbastanza da giustificare l’emissione di raggi X. Secondo i calcoli questa stella, catalogata come HDE 226868, sarebbe circa 30 volte più massiccia del Sole e disterebbe dalla Terra 6.000 anni luce. Questa supergigante ha una compagna, e le due stelle girano l’una attorno all’altra in un vorticoso valzer cosmico una volta ogni 5,6 giorni. Si calcola che la stella compagna disti solo pochi milioni di chilometri da HDE 226868, e secondo alcuni sarebbe circa dieci volte più massiccia del Sole. Ma questa compagna ha una caratteristica molto strana: è invisibile. Nessuna stella normale di tali dimensioni sarebbe invisibile a questa distanza dalla Terra. Un oggetto con una simile massa che sembra emettere raggi X ma non luce visibile, dicono gli scienziati, ha tutte le carte in regola per essere un buco nero.

Viaggio in un buco nero

Immaginate di poter viaggiare verso Cygnus X-1. Ammettendo che si tratti davvero di un buco nero, quello che vedreste potrebbe assomigliare molto all’illustrazione di pagina 17. La stella grande è HDE 226868. Mentre questa stella ha un diametro di milioni di chilometri, il buco nero potrebbe avere un diametro di una sessantina di chilometri. Il puntolino nero al centro del vortice di gas incandescente è l’orizzonte degli eventi, la “superficie” del buco nero. Non è una superficie solida, tuttavia, ma assomiglia di più a un’ombra. È il limite della regione attorno al buco nero in cui l’attrazione gravitazionale è talmente intensa da non lasciar sfuggire nemmeno la luce. Molti scienziati ritengono che all’interno dell’orizzonte, al centro del buco nero, vi sia un punto di volume nullo e densità infinita, noto come singolarità, in cui è scomparsa tutta la materia del buco nero.

Il buco nero sta risucchiando gli strati esterni di gas della stella compagna. Il gas della stella forma un disco incandescente man mano che precipita con un moto spiraliforme sempre più accelerato e si riscalda per attrito in prossimità del buco nero. Questo disco di gas surriscaldato emette raggi X nelle immediate vicinanze del buco nero, mentre il gas viene accelerato dall’intensa gravità a velocità fantastiche. Naturalmente, una volta che il gas precipita nel buco nero, non possono più sfuggire né raggi X, né alcun’altra cosa.

Cygnus X-1 offre uno spettacolo affascinante, ma non avvicinatevi troppo! Non solo i raggi X sono letali, ma lo è anche l’attrazione gravitazionale. Anche sulla Terra, quando state in piedi, esiste una differenza di intensità, se pur minima, fra l’attrazione gravitazionale a livello della testa e quella a livello dei piedi. Questa differenza produce una trazione così lieve da risultare impercettibile. Ma nei pressi di Cygnus X-1 questa piccola differenza è amplificata 150 miliardi di volte, creando una forza che in effetti stirerebbe il vostro corpo, come se delle mani invisibili vi tirassero i piedi in una direzione e la testa nell’altra!

Cygnus A: un buco nero supermassiccio?

Nella costellazione del Cigno c’è un’altra regione misteriosa. Nel visibile, questa regione contiene solo il tenue chiarore di una lontana galassia, tuttavia è una delle più intense sorgenti di onde radio in tutto il cielo. Si chiama Cygnus A, e da quando è stata scoperta, più di 50 anni fa, continua a rendere perplessi gli scienziati.

Le dimensioni di Cygnus A sfidano l’immaginazione. Mentre Cygnus X-1 fa parte della nostra galassia e dista poche migliaia di anni luce, si pensa che Cygnus A disti centinaia di milioni di anni luce. Se da una parte Cygnus X-1 e la sua compagna visibile distano tra loro solo un minuto luce, i pennacchi formati dai due getti di radioemissione di Cygnus A distano centinaia di migliaia di anni luce.b Evidentemente, qualcosa al centro di Cygnus A continua ad espellere questi intensi getti di energia in direzioni opposte da centinaia di migliaia o persino milioni di anni, come una specie di pistola a raggi di dimensioni cosmiche. Radiomappe dettagliate del centro di Cygnus A rivelano che, in paragone con i getti, la “pistola” è molto piccola: misura meno di un mese luce. Se in tutto questo tempo essa avesse vacillato, i getti sarebbero distorti. Ma i misteriosi getti sono perfettamente diritti, come se la “pistola a raggi” che li ha emessi fosse stata stabilizzata da un gigantesco giroscopio.

Come spiegare questo fenomeno? “Delle decine di idee che sono state proposte dai primi anni ’80 per spiegare il motore centrale”, scrive il prof. Kip S. Thorne, “solo una prevedeva l’esistenza di un enorme giroscopio che durasse nel tempo, che fosse più piccolo di un mese luce e che fosse in grado di generare getti potenti: l’esistenza di un gigantesco buco nero che ruota su se stesso”.

Altri possibili buchi neri

Nel 1994 il telescopio spaziale Hubble, da poco riparato, scrutò la “vicina” galassia M87, che si calcola disti 50 milioni di anni luce. Con le sue ottiche rinnovate, Hubble rilevò nel centro di M87 un vortice di gas che girava attorno ad un oggetto alla fantastica velocità di 2 milioni di chilometri all’ora. Cosa poteva imprimere al gas una tale velocità? Dai calcoli risultò che l’oggetto al centro del vortice doveva avere una massa pari almeno a due miliardi di soli. Ma tale oggetto è concentrato in uno spazio “minuscolo” delle dimensioni del nostro sistema solare. L’unico oggetto che secondo gli scienziati potrebbe corrispondere a questa descrizione è un buco nero supermassiccio.

Possibili buchi neri sono ora stati scoperti nel centro di diverse galassie vicine, compresa quella più vicina a noi, Andromeda, che dista solo un paio di milioni di anni luce. Ma potrebbe esserci un gigantesco buco nero ancora più vicino di Andromeda! Recenti osservazioni fanno pensare che un enorme buco nero potrebbe trovarsi al centro della nostra stessa galassia, la Via Lattea. Qualcosa che si trova in una piccola regione e che ha una massa stimata di 2,4 milioni di soli fa sì che le stelle vicino al centro della galassia orbitino attorno ad esso a velocità enormi. Il fisico Thorne osserva: “Le prove, accumulate gradualmente durante gli anni ’80, fanno pensare che tali buchi non esistano soltanto nel nucleo della maggioranza delle quasar e delle radiogalassie, ma anche nel nucleo della maggioranza delle galassie grandi e ‘normali’ (non radio) come la Via Lattea e Andromeda”.

Gli scienziati hanno scoperto davvero dei buchi neri? Forse sì. Quel che è sicuro è che hanno scoperto, nella costellazione del Cigno e altrove, degli oggetti molto strani per i quali, attualmente, l’ipotesi più semplice è che si tratti di buchi neri. Ad ogni modo, potrebbe anche succedere che nuovi dati mettano in dubbio teorie comunemente accettate.

Più di 3.500 anni fa Dio chiese a Giobbe: “Hai conosciuto gli statuti dei cieli?” (Giobbe 38:33) Nonostante gli sbalorditivi progressi compiuti in campo scientifico, questa domanda è ancora attuale. Dopo tutto, è proprio quando l’uomo comincia a pensare di comprendere l’universo che arriva qualche nuova osservazione inaspettata e getta scompiglio nelle teorie che si era costruito con cura. Nel frattempo, possiamo contemplare meravigliati le costellazioni e ammirarne la bellezza!

[Note in calce]

[Riquadro alle pagine 16 e 17]

Di cosa è fatto un buco nero?

SECONDO le attuali conoscenze scientifiche, le stelle brillano grazie a un’incessante lotta fra l’attrazione gravitazionale e le forze nucleari. Se la gravità non comprimesse i gas negli strati profondi della stella, non si potrebbe verificare la fusione nucleare. D’altra parte, se la fusione nucleare non si opponesse alla spinta gravitazionale, nelle stelle potrebbero verificarsi alcuni fenomeni molto strani.

Gli scienziati ritengono che quando le stelle grandi all’incirca quanto il Sole esauriscono il proprio combustibile nucleare, fatto di idrogeno e di elio, la gravità le stritola riducendole a tizzoni incandescenti grandi più o meno quanto la Terra, detti nane bianche. Una nana bianca può avere una massa pari a quella del Sole, compressa però in uno spazio milioni di volte più piccolo.

In condizioni normali la materia si può considerare composta principalmente di spazio vuoto: in ogni atomo quasi tutta la massa è concentrata in un minuscolo nucleo circondato da una nube di elettroni molto più grande. Ma all’interno di una nana bianca la gravità schiaccia la nube elettronica, riducendone enormemente il volume; la stella viene così compressa fino ad assumere le dimensioni di un pianeta. Nel caso di stelle grandi quanto il Sole, a questo punto si crea un equilibrio tra l’attrazione gravitazionale e le forze generate dagli elettroni, il che evita ogni ulteriore compressione.

Ma che dire di stelle più pesanti del Sole, in cui la gravità è maggiore? Nelle stelle la cui massa è più di 1,4 volte quella del Sole la forza di gravità è talmente grande che la nube di elettroni viene schiacciata fino a sparire. Protoni ed elettroni allora si fondono formando neutroni. I neutroni si oppongono a ogni ulteriore compressione, a meno che la gravità non sia troppo intensa. Invece di una nana bianca delle dimensioni di un pianeta, il risultato è una stella di neutroni delle dimensioni di un piccolo asteroide. La sostanza di cui sono formate le stelle di neutroni è la forma di materia più densa che si conosca nell’universo.

Ma che dire se la gravità è ancora più intensa? Gli scienziati ritengono che nelle stelle con massa pari a circa tre volte quella del Sole la gravità sia troppo intensa perché i neutroni possano resistere. I fisici non conoscono nessuna forma di materia capace di resistere a una simile attrazione gravitazionale. A quanto pare la palla di neutroni delle dimensioni di un asteroide verrebbe schiacciata dando luogo non a una palla più piccola, ma al nulla, a un punto chiamato “singolarità”, o a qualche altra entità teorica tuttora sconosciuta. La stella sembrerebbe scomparire, lasciandosi dietro, nel punto in cui si trovava, solo la sua gravità e un buco nero. Il buco nero formerebbe un’ombra gravitazionale al posto della stella scomparsa. Si tratterebbe di una regione in cui la gravità sarebbe talmente intensa che nulla — nemmeno la luce — potrebbe sfuggirne.

[Immagini a pagina 16]

La costellazione del Cigno contiene, tra le altre, la Nebulosa Nord America (1) e la Nebulosa a Velo (2). Cygnus X-1 (3) si trova lungo il collo del cigno

La costellazione del Cigno

[Fonte]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[[Immagini a pagina 17

Possibile aspetto di Cygnus X-1

I buchi neri vengono rivelati dagli effetti che producono su altri corpi. Nell’illustrazione, i gas di una stella vengono risucchiati da un buco nero

Libera interpretazione artistica di un buco nero (nel rettangolo rosso); sotto, un ingrandimento

[Fonte dell’immagine a pagina 14]

Einstein: U.S. National Archives photo