Scoperte
Che cos'è un buco nero, in parole semplici
L'immagine dell'imbuto che risucchia tutto è la parte da buttare. Un buco nero non fa niente di diverso da una qualsiasi massa: è solo molto compatta.
In breve
Un buco nero è una regione di spazio in cui la massa è così concentrata che per allontanarsene servirebbe superare la velocità della luce: e siccome nulla la supera, nulla esce. Il confine si chiama orizzonte degli eventi. Non aspira gli oggetti: li attrae come farebbe qualsiasi corpo della stessa massa, e a distanza ci si può orbitare attorno.
Punti chiave
- Non aspirano: se il Sole diventasse un buco nero senza perdere massa, l'orbita della Terra non cambierebbe di un metro. Cambierebbe la luce, non la gravità.
- L'orizzonte degli eventi non è una superficie solida, è il confine oltre il quale nessun segnale può più tornare indietro.
- La compattezza è tutto: perché il Sole diventi un buco nero, la sua massa dovrebbe stare in una sfera di circa tre chilometri di raggio.
- Quello al centro della nostra galassia, Sagittarius A*, ha una massa pari a circa quattro milioni di volte quella del Sole.
- Non sono un'ipotesi: sono stati fotografati due volte, e le loro fusioni si misurano attraverso le onde gravitazionali.
Un buco nero si definisce in una riga: una regione in cui la gravità è tanto intensa che nulla, nemmeno la luce, può uscirne. Tutto il resto sono conseguenze di questa frase.
Il modo più utile per arrivarci parte da un concetto familiare. Per lasciare la Terra un razzo deve raggiungere una certa velocità, circa 11 chilometri al secondo: è la velocità di fuga, e dipende da quanta massa c’è e da quanto sei vicino al centro. Su un corpo più massiccio serve di più, e se ti avvicini al centro serve di più. Immagina ora di comprimere una massa sempre più in un volume sempre più piccolo. La velocità di fuga sale. A un certo punto supera i 300.000 chilometri al secondo, la velocità della luce. Da quel momento nemmeno un raggio di luce che parta verso l’esterno riesce ad allontanarsi.
Quel punto di non ritorno è una superficie sferica immaginaria: l’orizzonte degli eventi. Non è materia, non è un muro: è un confine geometrico. Attenzione, perché è l’errore più comune: l’orizzonte non è “la superficie” del buco nero, e attraversarlo non significa urtare qualcosa. Significa entrare in una regione da cui nessun segnale potrà più tornare fuori.
La cosa da smettere di pensare: non aspirano
Nel linguaggio comune i buchi neri “risucchiano”. È un’immagine sbagliata e vale la pena disinnescarla con un esperimento mentale.
Se il Sole, adesso, diventasse un buco nero conservando esattamente la stessa massa, la Terra continuerebbe la sua orbita senza accorgersene. Stessa distanza, stesso anno, stessa velocità. Cambierebbe soltanto che sopra di noi non ci sarebbe più luce. La gravità di un corpo, a distanza, dipende dalla sua massa, non dalla sua compattezza.
Un buco nero è pericoloso solo se ci si avvicina molto: da lì in poi la gravità cresce in modo così rapido che la differenza di attrazione tra la testa e i piedi diventa enorme, e allunga qualunque cosa fino a smembrarla. Ma non c’è nessun aspiratore che agisce da lontano. Ci si può orbitare attorno, e infatti al centro della nostra galassia le stelle lo fanno da milioni di anni.
Quanto bisogna comprimere
Un numero rende concreto il concetto di compattezza. Perché il Sole diventi un buco nero, tutta la sua massa dovrebbe stare in una sfera di circa tre chilometri di raggio. Per la Terra, la stessa condizione richiederebbe un raggio di circa nove millimetri: la nostra massa intera in una biglia.
Non è una cosa che possa capitare per caso. Servono condizioni estreme, e in natura ne conosciamo due.
Come si formano
Il collasso di una stella grande. Una stella resta in equilibrio perché la pressione generata dalla fusione nucleare nel suo nucleo bilancia il peso degli strati esterni. Quando il combustibile finisce, l’equilibrio si rompe e il nucleo cade su se stesso. Se la stella era abbastanza massiccia, non esiste nulla che possa fermare quel collasso: il risultato è un buco nero di massa stellare, tipicamente da qualche volta a qualche decina di volte la massa del Sole.
I buchi neri supermassicci. Al centro della maggior parte delle grandi galassie ce n’è uno di dimensioni completamente diverse: da milioni a miliardi di masse solari. Il nostro si chiama Sagittarius A* e, come riassume la pagina della NASA sui buchi neri, ha una massa pari a circa quattro milioni di volte quella del Sole. Si trova a circa 26.000 anni luce da qui, verso il centro della Via Lattea. Come siano diventati così grandi è ancora una delle domande aperte.
Come facciamo a vederli, se sono neri
Non li vediamo: vediamo l’effetto che hanno sull’ambiente. E le prove sono di tre tipi diversi che concordano tra loro.
Il movimento delle stelle vicine. Per decenni due gruppi di ricerca hanno seguito le orbite delle stelle vicinissime al centro galattico. Da quelle orbite si ricava la massa contenuta all’interno, e il risultato è una massa enorme in un volume piccolissimo. Questo lavoro ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2020.
Le immagini. Nel 2019 una rete di radiotelescopi coordinati come se fossero un unico strumento delle dimensioni della Terra ha pubblicato la prima immagine dell’ombra di un buco nero, quello al centro della galassia M87. Nel 2022 la stessa collaborazione ha pubblicato quella di Sagittarius A*. In entrambe si vede un anello luminoso e una zona scura al centro: non è il buco nero, è la sua silhouette contro il gas incandescente che gli gira attorno.
Le onde gravitazionali. Nel 2015 è stato rilevato per la prima volta il passaggio di un’onda gravitazionale, la deformazione dello spazio prodotta dalla fusione di due buchi neri lontanissimi. Da allora ne sono state osservate molte altre. Non è luce: è lo spazio stesso che si allunga e si accorcia, di una quantità infinitesima, misurata da interferometri lunghi chilometri.
Che cosa non sappiamo ancora
Al centro, la fisica che conosciamo cessa di dare risposte sensate: le equazioni prevedono un punto di densità infinita, e “infinito” in fisica è quasi sempre il segnale che manca una teoria migliore. Aperto è anche il problema di che cosa accada all’informazione che cade dentro. Sono i punti in cui la relatività generale e la meccanica quantistica non si parlano, e per questo i buchi neri restano il laboratorio più interessante che abbiamo.
Nel frattempo, restano la dimostrazione più spettacolare di un fatto semplice: la luce si vede solo quando può arrivare fino a noi, e la gravità decide se può.