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La foto di un buco nero: perchè è così eccezionale?


La foto di un buco nero: perchè è così eccezionale?
11/04/2019, 07:43

Ieri c'è stato un grande scalpore per la diffusione della prima foto mai scattata di un buco nero. Ma perchè tanto clamore? 

Per capirlo, bisogna spiegare cosa sia un buco nero e quindi la foto. Una stella come il nostro sole dura finchè ha abbastanza materiale per una reazione nucleare di fusione. Si tratta di una reazione nucleare in cui due atomi leggeri si uniscono per crearne uno più pesante. Per esempio due atomi di idrgeno ne formano uno di elio, due atomi di elio ne formano uno di litio e così via. Ognuna di queste reazioni nucleari libera immense quantità di energia (per far capire, dalla fusione di due atomi di idrogeno si libera più energia di quella che si otterrebbe facendo esplodere una cartuccia di dinamite) che illuminano e riscaldano. Ma con il passare del tempo gli atomi più leggeri si consumano e cominciano ad abbondare quelli più pesanti, che producono più energia e più calore. Il calore, a sua volta, aumenta la velocità delle reazioni nucleari e la quantità di energia emessa. Ora noi sappiamo che quando una bomba esplode, tende a lanciare lontano tutto quello che c'è intorno a sè. Vale anche per le reazioni nucleari, che sono piccole esplosioni nucleari. Ma la gravità della stella mantiene il sistema compatto. Ma arriva un punto dove le esplosioni sono talmente frequenti e talmente violente che la parte esterna della stella si allontana dal centro e la stella stessa si ingrandisce. 

Quando una stella è grande, centinaia di volte il diametro del nostro sole, ad un certo punto succede che le esplosioni sono talmente violente da superare la forza di gravità e la parte esterna della stella letteramente esplode, come se fosse una bomba. E' quella che viene chiamata "supernova". In questo caso, una volta terminata l'esplosione, rimane il nucleo della stella, caratterizzata da una forte gravità ma senza più le reazioni nucleari che facciano da contrappeso. E quindi la forza di gravità attira la superficie del nucleo della stella verso il centro. Il risultato è che la stella si rimpicciolisce, come se ci fosse una immensa pressa. Si rimpicciolisce ma la forza di gravità aumenta. Come è noto, la forza di gravità si misura con una velocità, che è quella di caduta libera. Sulla Terra, tale velocità è pari a 10 metri al secondo per secondo (cioè ogni secondo in caduta libera la velocità aumenta di 10 metri al secondo, 36 Km/h). Sulla stella dopo l'esplosione, la velocità di caduta libera supera i 1000 metri al secondo per secondo e aumenta. Quando raggiunge i 300 mila chilometri al secondo per secondo (cioè la velocità della luce) si ha il buco nero. Ed è chiamato così perchè appunto la forza di gravità è tale che neanche la luce può scappare via. Quindi è nero, senza luce. 

Il problema è che la forza di gravità del buco nero non finisce con quel limite. Nel senso che anche a grandi distanze la forza di gravità di un buco nero attira pianeti, stelle e asteroidi. E ogni volta che qualcosa si avvicina al buco nero, viene catturato dal suo campo gravitazionale e aumenta la massa del buco nero stesso e quindi la sua forza gravitazionale. Per capire quanto sia forte questa forza gravitazionale, basti pensare che se immaginiamo che la Terra diventi un buco nero, la sua dimensione sarà quella di una pallina da golf. Abbastanza piccola da stare nel palmo di una mano. La sua forza di gravità attirerebbe rapidamente la Luna, Marte, Venere, Giove e arriverebbe fino al Sole. 

Questa situazione rende difficile vedere i buchi neri. Finora, quelli che sono stati individuati, lo sono stati mediante la gravità. Cioè come ho detto, la forza di gravità di un buco nero arriva lontano. Esaminando lo spostamento di stelle e pianeti, si sono viste certe anomalie che sono state spiegate attraverso la presenza di buchi neri, dato che non si vedevano stelle che spiegassero tali anomalie. Sono quindi prove indirette, ma nessuno aveva finora visto un buco nero. 

Finalmente l'impresa è stata raggiunta. E di impresa si è trattato, dato che non è una foto ottica, bensì elettronica. Per farla sono stati sovrapposti i dati di decine di radiotelescopi situati in tutte le parti del mondo. Per capire, immaginiamo di voler filmare un uccello attraverso una foresta. Non potremmo mai farlo, ogni pochi secondi ci troveremmo un albero davanti alla telecamera. Ma se disponiamo una ventina di operatori, tutti incaricati di filmare lo stesso uccello e poi prendiamo tutti i pezzi che non sono oscurati dagli alberi, osserviamo tutto il volo. Stessa cosa con i radiotelescopi: ogni telescopio osserva solo una parte del cielo, ma poichè la Terra gira, la zona di cielo dove sta quel buco nero capitava per qualche ora nel raggio di ogni telescopio. Sovrapponendo i dati, come se fossero immagini di una videocamera (ma con un livello di complessità enormemente superiore), si è ottenuta l'immagine. 

E ora guardiamo attentamente la foto. Si vede la zona nera e intorno un alone luminoso. La zona nera è quella dove la forza di gravità supera i 300 mila chilometri al secondo per secondo. Come ho detto, niente può uscire da lì, neanche la luce. La zona luminosa invece è formata dalla luce che viene attirata dall'esterno e si accumula in quel punto. Immaginate di avere un imbuto e di versare dentro un flusso continuo di acqua. Nei pressi dell'imboccatura, si vede che l'acqua si ammassa per un istante, formando un anello leggermente più spesso. Qui è la stessa cosa, ma anzichè l'acqua abbiamo i fotoni, che formano la luce. Quella linea non segnalata, dove il nero diventa luce, si chiama "orizzonte degli eventi". In quel punto, la velocità della forza di gravità è pari a 300 mila chilometri al secondo per secondo, esattamente pari alla velocità della luce. 

Un'ultima aggiunta. Sui giornali e nelle dichiarazioni deglie sperti si dice che questa foto è la conferma della teoria della relatività di Einstein. Questo perchè nella teoria della relatività è previsto che l'orizzonte degli eventi sia perfettamente circolare. E così è dalla foto. Adesso la questione però diventa lo studio dell'orizzonte degli eventi. Secondo diverse teorie (mai verificate), quella zona potrebbe nascondere canali verso altre zone dell'universo distanti anni luce (i cosiddetti warmhole), potrebbe portare a zone dove la materia viene creata anzichè distrutta come nei buchi neri o altre cose. Si tratta di tutte teorie per il momento da considerare campate in aria, perchè la scienza non sa letteralmente cosa sia l'orizzonte degli eventi. Anche se non sarà facile guardare i dettagli a 55 milioni di anni luce di distanza...

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di Antonio Rispoli
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