lunedì , 27 Giugno 2022

Oltre la fantascienza del Buco Nero: nascita, forma, e struttura.

Solo lo scorso anno si è diffusa l’immagine della prima foto scattata ad un Buco Nero. L’immagine in realtà è il risultato di un insieme di foto scattate e rielaborate dall’ EHT (Event Horizon telescope), uno strumento di osservazione su larga scala composto da ben otto radiotelescopi (per approfondire questo aspetto cliccate qui). L’immagine mostra un Buco Nero di proporzioni inimmaginabili: 6,6 miliardi di masse solari e 20 miliardi di km di diametro.

La rielaborazione fotografica del Buco Nero M87 al centro della Galassia Messier 87

Avrete già sicuramente sentito parlare di questi peculiari oggetti cosmici. Molti nell’immaginare i buchi neri – complice probabilmente una fantascienza errata – credono si tratti di vortici spaziotemporali capaci di trasportare materia da un punto all’altro del tempo e dello spazio. Nulla di più sbagliato in verità, tanto per cominciare perchè non sono “vuoti”, ma composti da materia anch’essi.
Ed è proprio dal concetto di “Materia”che la nostra analisi deve partire per capire a pieno cosa siano i Buchi Neri.

LA MATERIA

La materia, dizionario alla mano, è qualsiasi cosa provvista di una propria consistenza fisica, dotata di peso e di inerzia, capace di adeguarsi a una forma.
Nella nostra analisi sui Buchi Neri non ci interessa, in verità, la materia in sè considerata, ma la parte più infinitesimale della materia stessa: l’atomo.
Per comprendere qualcosa di infinitamente denso come un Buco Nero occorre davvero prendere in considerazione qualcosa di infinitamente minuscolo come l’atomo? Che voi ci crediate o no è proprio così.
L’atomo è la più piccola particella di cui è strutturata tutta la materia. Dire che tutta la materia è composta da atomi è un’affermazione assolutamente corretta. L’atomo è composto da un nucleo di protoni e neutroni, attorno al quale ruotano gli elettroni. Il numero di protoni ed elettroni all’interno dello stesso atomo è sempre uguale ed è sempre uguale tra atomi dello stesso elemento, ma differisce tra atomi di diversi elementi.
Il nucleo atomico e gli elettroni occupano uno spazio davvero insignificante dell’atomo: solo lo 0,00000001%, per il 99,99999999%, invece, l’atomo è composto da spazio vuoto. Se tutta la materia è composta da atomi e tutti gli atomi sono costituiti da spazio vuoto, allora potremmo dire che tutta la materia è composta da spazio vuoto, è corretta questa affermazione? Per quanto possa sembrare assurdo la risposta è sì, siamo tutti fatti principalmente…di nulla (ma se siamo fatti di spazio vuoto, come mai non riusciamo ad attraversare i muri? A questa domanda potremmo cercare di rispondere in un’altra occasione).
Considerata questa premessa possiamo passare al punto focale della nostra analisi.

LA NASCITA DEI BUCHI NERI

I buchi neri sono corpi celesti estremamente densi con una forza di Gravità talmente elevata da non permettere neanche alla Luce di evadere dalla loro attrazione. Il limite massimo per sfuggire alla loro attrazione gravitazionale è chiamato “Orizzonte degli eventi”. Sono il risultato della morte di una Stella estremamente massiccia.
Cercherò di spiegarvi in breve, evitando di tediarvi con spiegazioni troppo dettagliate, cosa avviene al momento in cui una Stella muore. Per dirla in parole povere le stelle funzionano come degli enormi motori alimentati da reazioni nucleari che permettono la costante traformazione dell’idrogeno in elio, tale trasformazione, logicamente, sprigiona un’anorme energia.
Una volta che l’idrogeno sta per esaurirsi il nucleo stellare diventa instabile e comincia a contrarsi, mentre lo strato esterno della stella, al contrario, si espande. Questa espansione è vertiginosa, arrivando la stella ad aumentare il proprio volume (ma non la propria massa) anche di oltre 200 volte.
Quando questa espansione raggiunge il proprio apice la Stella rilascia continuamente materia nello spazio circostante, il nucleo invece continua a comprimersi finché non collassa completamente.
Ma cosa si intende, per l’esattezza, quando si dice che il nucleo di una stella collassa? Qui ci ricolleghiamo al concetto di “materia” e di “atomo” che abbiamo esposto prima. Anche le Stelle sono oggetti materiali, per quanto in perenne combustione, e tutto l’idrogeno e l’elio stellari – e, a seconda dell’età e delle dimensioni della Stella, anche altri elementi – sono, come tutta la materia dell’Universo, composti da atomi. Quando un nucleo stellare collassa, per spiegarla in parole semplici, tutti gli atomi di cui è composto cominciano a comprimersi, questo perché tutti gli elettroni cominciano ad avvicinarsi ai nuclei atomici riducendo, quindi, lo spazio vuoto della materia stessa, e riducendo anche, di conseguenza, le dimensioni totali del nucleo Stellare.

A questo punto si aprono 3 possibili strade:

1 – Le Nane Bianche

Se la Stella iniziale ha una massa compresa tra 0,8 e 8 volte la massa del nostro Sole, il nucleo collassato formerà una piccola stella, chiamata nana bianca e costituita prevalentemente da elio. Le nane bianche sono piccole stelle di dimensioni simili a quelle del nostro pianeta, tuttavia la loro massa può arrivare ad 1,44 masse solari.

2 – Le Stelle di Neutroni

Se la Stella ha una massa tra le 8 e le 30 masse solari allora il collasso del nucleo sarà maggiore: in tal caso tutti gli elettroni arriveranno ad urtare contro i protoni del nucleo atomico, dando origine a nuovi neutroni – elettroni e protoni una volta venuti a contatto annulleranno la loro carica rendendola neutra-. La nuova stella che si verrà a creare dal collasso del nucleo della stella originaria, in tal caso, sarà costituita principalmente da neutroni e prenderà, per l’appunto, il nome di Stella di Neutroni. Questa è una tipologia di stella incredibilmente compatta, poiché di spazio vuoto negli atomi e tra gli atomi ne è rimasto ben poco. Ha un diametro di poche decine di km ma una massa di almeno 1,44 volte quella del nostro Sole.

Una stella di neutroni paragonata alla città di New York.

3 – I Buchi Neri

Se la Stella ha una massa incredibilmente elevata – oltre 30 masse solari – tutti gli atomi collasseranno completamente, eliminando totalmente lo spazio vuoto della materia. Le particelle subatomiche non solo entreranno in contatto tra loro ma cominceranno letteralmente a schiacciarsi le une con le altre fino a raggrupparsi tutte in un unico punto incredibilmente compatto e con una gravità elevatissima, un punto chiamato “singolarità gravitazionale”. La gravità di questo singolo punto estremamente compatto è tale da non permettere neanche alla luce di sfuggire alla sua attrazione. Questo è ciò che noi chiamiamo “Buco Nero”.
In tutti e tre gli scenari la materia collassata rimanente avrà una massa considerevolmente ridotta rispetto alla Stella originaria (il resto della materia veniva espulsa nello spazio dagli strati superficiali della stella), un Buco Nero per formarsi deve avere un diametro (orizzonte degli eventi) di almeno 24 km ed almeno 3,8 masse solari.

Le varie ipotesi di evoluzione stellare. Immagini non in scala.

Buchi neri stellari e Buchi neri galattici

Tuttavia esistono Buchi neri di dimensioni vertiginose, il Buco Nero fotografato, ad esempio, come specificato all’inizio di questo articolo, ha una massa di 6,6 miliardi di masse solari ed un Orizzonte degli Eventi di oltre 20 miliardi di km (4 volte la distanza Sole – Plutone). Se i Buchi Neri sono nuclei collassati di Stelle giganti com’è possibile che alcuni raggiungano certe dimensioni vertiginose? Semplice: nei nuclei galattici vi è un enorme quantitativo di materia che si ammassa facilmente collassando, in quelle zone anche le Stelle sono molto vicine tra loro. I Buchi Neri che si creano in quella zona galattica, data la loro stretta vicinanza, finiscono per fondersi l’un l’altro, assorbendo, inoltre, molta altra materia spaziale e raggiungendo dimensioni elevate. Non è un mistero che le zone più comuni dove trovare Buchi Neri siano proprio i nuclei galattici. Anche al centro della nostra galassia vi è un Buco Nero, si chiama Sgr A*.

FORMA E STRUTTURA

Il Buco Nero non è, dunque, un vortice vuoto. Essendo una stella collassata su sé stessa è sempre un corpo celeste sferico, il quale risulta invisibile poiché neanche la luce può sfuggirne alla gravità.
In varie rappresentazioni artistiche, come l’immagine qui sotto, i buchi neri vengono rappresentati come una sfera nera al centro di un cerchio arancione. Anche nella foto che ho inserito ad inizio articolo si vede questa caratteristica. Basandoci su queste immagini precisiamo la struttura dei Buchi Neri.

Come già vi ho spiegato i buchi neri sono invisibili. Il cerchio giallo/arancione in realtà non è parte dell’oggetto cosmico ma materia incandescente che vi orbita attorno. Ogni giorno una gran quantità di questa materia precipita dentro al Buco Nero. La sfera nera al centro, in particolare la zona confinante con la materia incandescente, è il cosiddetto “Orizzonte degli eventi”, il limite massimo di fuga; superato quel limite nulla può più sfuggire all’attrazione gravitazionale del mostro spaziale, neanche la luce. Oltre l’Orizzonte degli aventi tutto diventa invisibile, il vero e proprio Buco Nero – quella singolarità gravitazionale di cui parlavamo pocanzi – si trova proprio al centro della sfera nera. E’ una stella fredda ed oscura, incredibilmente compatta e potente.

PRECIPITARE IN UN BUCO NERO

Cosa succederebbe se entrassimo in un Buco Nero? Non essendo nient’altro, in fondo, che materia collassata, dovremmo ormai aver compreso che non c’è possibilità che un Buco Nero sia un cunicolo spaziotemporale. Lo scenario realistico non offre niente di così fantascientifico o affascinante come lo spostamento in altre dimensioni o in altre epoche. Pur supponendo, infatti, di essere dotati di adeguati strumenti per esplorare lo spazio aperto, la vicinanza ad un Buco Nero ci sarebbe inevitabilmente fatale. L’eccessiva forza di gravità ci attirerebbe a sè con una tale brutalità da demolecolarizzarci letteralmente (perdonatemi lo scenario macabro). Niente ingarbugliamenti spaziotemporali alla “Ritorno al futuro” dunque.


Tuttavia, per quanto incredibile e verosimilmente fantascientifico, oltre l’Orizzonte degli eventi delle anomalie spaziotemporali sono possibili. Non è un concetto semplice ma vi basti sapere che oltre l’Orizzonte degli eventi l’eccessiva gravità fa sì che ogni singolo secondo venga “allungato”; un secondo dentro il buco nero dura quindi “di più” rispetto che fuori, un secondo dentro l’orizzonte degli eventi può equivalere ad ore sulla Terra. Tale distorsione è ancor più incisiva nel punto di singolarità: Pochi attimi in quella zona potrebbero equivalere anche a milioni di anni sulla Terra. Del resto Einstein aveva chiarito che la gravità fosse proprio una distorsione dello spaziotempo, maggiore è la gravità maggiore sarà la piegatura spaziotemporale.
Se qualcuno potesse entrare ed uscire da un buco nero – con una navicella più veloce della luce – avrebbe, in un certo senso, viaggiato nel tempo. Se potesse raggiungere la singolarità anche per pochi secondi per poi allontanarsi dall’Orizzonte degli eventi, si ritroverebbe di intere ere geologiche nel futuro.

A proposito di Giulio Dino De Bartoli

Classe 89. Laureato presso la LUMSA di Palermo. Ha svolto mansioni di operatore segretariale presso un noto studio legale di Marsala nel quale ha anche svolto la pratica forense. Abilitato alla professione di avvocato il 18 ottobre 2018, iscritto all'albo del Tribunale di Marsala dal 12 febbraio 2019

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