Buchi neri: 4 problematiche non risolte

Agli inizi del secolo scorso, Albert Einstein formula la teoria della gravitazione, che va a sostituire (ad affiancare, in effetti) quella di Isaac Newton. Per Newton la gravità crea un campo simile a quello prodotto da un magnete: per lo scienziato inglese vissuto a cavallo tra il XVII e il XVIII Secolo, questo campo fa sì che la Terra (per esempio) eserciti su una mela o sulla Luna una “forza” che le attira. È un fatto normale: tutti i corpi che possiedono una massa esercitano tale forza.

Einstein la pensa diversamente: la gravità non è un campo ma una proprietà, ossia una caratteristica dello spazio stesso. Afferma che tutti i corpi massicci – tutti, dal Sole fino a uno spillo – curvano lo spazio attorno a se stessi. Per avere un’idea di ciò che significa basta pensare a una palla appoggiata su un materasso: deforma la superficie su cui poggia e scorre.

In questo esempio la deformazione avviene in due dimensioni: nella realtà immaginata per la prima volta dallo scienziato tedesco la deformazione dello spazio si realizza in tre dimensioni. Un effetto un poco più difficile da visualizzare.

La Relatività generale ipotizza anche che un oggetto sufficientemente grande, come può essere una stella massiccia, può collassare su se stesso fino a concentrarsi in un punto a densità infinita. Quel punto è chiamato singolarità.

Buchi neri primordiali e materia oscura

Teoricamente potrebbero esistere buchi neri di ogni dimensione nell’Universo attuale. Potrebbero essere talmente tanti da rappresentare da soli la materia oscura che tanto si sta cercando di individuare. Un modello sofisticato della Princeton University permette di riconoscere i loro effetti durante l’attraversamento di una stella.

Subito dopo il Big Bang la densità della materia era talmente alta che leggerissime irregolarità nella distribuzione avrebbero potuto creare nuclei densissimi, ossia buchi neri di qualsiasi dimensione. Essi vengono chiamati buchi neri primordiali. Mentre i più piccoli sarebbero già evaporati seguendo la teoria della radiazione di Hawking (prima o poi ne parleremo) e i più grandi dovrebbero aver partecipato alla costruzione dei nuclei galattici, quelli di dimensioni intermedie potrebbero ancora esistere negli aloni galattici e anche “a zonzo” tra le stelle.

Essi avrebbero esattamente le caratteristiche della materia oscura: dotati di campo gravitazionale, non emetterebbero in nessuna lunghezza d’onda elettromagnetica. Spesso si è parlato di loro in modo quasi fantascientifico. Un paio di esempi. L’oggetto della Tunguska, che ha distrutto un territorio vastissimo, ma di cui non si è trovata traccia al suolo, avrebbe potuto essere un mini buco nero di questo tipo. La Terra avrebbe al suo interno uno di questi oggetti e la sua massa è quella che farebbe pensare a un nucleo di Ferro e Nichel, in verità inesistente.

Le vibrazioni interne alla stella durante il passaggio del mini buco nero
Le vibrazioni interne alla stella durante il passaggio del mini buco nero (pallino bianco). I colori rappresentano l’intensità delle vibrazioni.

Torniamo alla realtà, anche se ai suoi limiti di comprensione. Ammettiamo, per un momento, che ne esistano ancora moltissimi e che essi abbiano contatti frequenti con le stelle, quali sarebbero gli effetti? Potremmo individuarli? In realtà sarebbe molto difficile, dato che essi potrebbero attraversarle tranquillamente senza causare danni visibili.

Ecco allora il programma studiato dai ricercatori della Princeton e della New York University. Essi hanno simulato perfettamente cosa sarebbe visibile durante questo fenomeno che potrebbe essere estremamente comune nella nostra galassia. Ormai siamo in grado di vedere moltissime stelle e studiare la loro atmosfera. Perché trascurare questa possibilità, anche se estremamente teorica?

I risultati sono incoraggianti. Gli effetti dei piccoli buchi neri sarebbero delle increspature osservabili sulle superfici stellari, con onde che si propagano come se buttassimo un sassolino nell’acqua. Meglio che le parole è interessante vedere un video che rappresenta questo strana interazione, simulando un buco nero che attraversa centralmente il Sole. Si considera un oggetto della massa di un asteroide medio.

Simulare la distorsione dello spazio-tempo quando due buchi neri si uniscono

Quando due buchi neri si uniscono, lo spazio-tempo che li circonda si agita e ondeggia come un mare durante una tempesta. Utilizzando la teoria e le simulazioni numeriche, un gruppo di ricercatori del Caltech di Pasadena è riuscito a descrivere gli effetti di questa immane fusione cosmica e ha potuto studiare e rappresentare il sistema vorticoso che viene generato nello scontro. Questo articolo è di livello superiore rispetto a quello qualitativo precedente.

L’idea rivoluzionaria del programma messo a punto al Caltech, con la collaborazione della Cornell University e dell’Istituto di Fisica Teorica del Sud Africa, è rappresentata dal metodo di descrizione del campo gravitazionale e della sua variazione. Esso si basa su linee di vortice e di “tendex” (vocabolo coniato “ad hoc”, che deriva probabilmente dal basket)

Figura 1. Due strutture a ciambella espulse dal buco nero pulsante centrale
Figura 1. Due strutture a ciambella espulse dal buco nero “pulsante” centrale. In prossimità di quest’ultimo si notano due linee di vortice blu e due rosse, ancora attaccate al buco nero, che verranno presto espulse come terza ciambella alla successiva pulsazione. (Fonte: Caltech/Cornell SXS Collaboration)

I geniali ricercatori hanno così evidenziato che la collisione di due buchi neri produce strutture molto particolari che sono ben rappresentate dal sistema di linee introdotte prima. In alcuni casi si ottengono anelli che si allontanano dal buco nero finale come i cerchi di fumo da una sigaretta. In altri casi si hanno invece spirali che escono dal corpo celeste come un getto d’acqua da uno spruzzatore per giardini.

Le linee di vortice e di “tendex” descrivono le forse gravitazionali causate dallo spazio-tempo deformato. In qualche modo sono analoghe alle linee di campo magnetico ed elettrico che descrivono le forze magnetiche ed elettriche. Le linee di “tendex” si riferiscono alla forza di “stiramento” che si esercita su qualsiasi cosa venga incontrata.

Come similitudine potremmo dire che sono le linee che proveniendo dalla Luna sollevano le maree oceaniche. La forza associata a loro è quella che farebbe a pezzi un astronauta che si avvicinasse al buco nero. Le linee di vortice sono invece quelle che descrivono la torsione dello spazio. Se un astronauta si allineasse con una di queste verrebbe “strizzato” come un panno bagnato che si volesse asciugare manualmente.

Quando le linee di “tendex” si raggruppano tra loro, esse creano una zona di forte stiramento chiamata appunto “tendex”. In modo analogo un raggruppamento di linee di vortice crea una regione vorticosa chiamata, appunto, “vortice”. Qualsiasi cosa cadesse in un vortice inizierebbe a ruotare come in una centrifuga.

Due strutture a vortice che escono spiraleggiando dal buco nero
Figura 2. Due strutture a vortice che escono spiraleggiando dal buco nero. (Fonte: Caltech/Cornell SXS Collaboration).

Attraverso le simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che due buchi neri ruotanti che si uniscono tra loro producono numerosi vortici e “tendex”, ma in modo diversificato. Se l’urto avviene direttamente e frontalmente vengono emesse strutture del campo gravitazionale che assumono la forma a ciambella (Fig. 1), sia di stiramento che di torsione. Se invece i due buchi neri spiraleggiano uno intorno all’altro prima della fusione, i loro vortici e “tendex” assumono strutture a spirale (Fig. 2). In entrambi i casi, vortici e “tendex” si propagano diventando onde gravitazionali che dovrebbero essere individuate dalle missioni LIGO e LISA.

Le simulazioni permettono di predire le future osservazioni relative alle increspature dello spazio-tempo.

Da un punto di vista più teorico la simulazione ha aiutato a capire come si origina la spinta ricevuta dal buco nero creatosi dopo la fusione. La formazione di un “burst” di onde gravitazionali costringe il buco nero a rinculare, proprio come accade a un fucile che ha appena sparato. L’esatta dinamica è la seguente: da un lato del buco nero le onde gravitazionali che si formano dai vortici spiraleggianti si sommano a quelle che derivano dalle “tendex”, anch’esse spiraleggianti. Dall’altro lato, invece, le onde si annullano tra loro. Ne consegue che, come in un razzo, il buco nero viene spinto in quest’ultima direzione.

Il programma descritto precedentemente potrà essere utilizzato non solo per la fusione dei buchi neri, ma per tutte le situazioni in cui le linee di vortice e di “tendex” possano essere applicate. L’importante è che vi sia deformazione e distorsione dello spazio-tempo, come la distruzione di una stella da parte di un buco nero o addirittura le stesse singolarità che sono contenute nei buchi neri.

Anche se non di immediata comprensione, questo metodo di simulazione potrebbe diventare il migliore e il più utile per descrivere i meccanismi tipici della relatività. Chi vuole saperne di più, può scaricare qui l’articolo originale e alcune animazioni.

E se fossimo dentro un buco nero?

verme

Ormai la fisica teorica più avanzata sta sorpassando la fantascienza. L’articolo che segue supera perfino i miei soliti raccontini assurdi e irreali (prima o poi ricomincio a pubblicarli, ve lo prometto). Una volta forse si poteva dire: “Non esageriamo…”. Ma oggi è meglio non arrivare a conclusioni affrettate. E se fosse tutto vero? L’articolo è un po’ difficile, ma vale la pena leggerlo: l’idea di fondo è comunque facilmente comprensibile.

Nikodem Poplawski, un fisico teorico dell’Università dell’Indiana, ha suggerito un’ipotesi straordinaria per l’origine e l’evoluzione del nostro Universo. Molti di voi conoscono benissimo cosa sia un “wormhole” (letteralmente “buco del verme”, ossia la tana che questi simpatici animaletti fanno nelle mele). Esso rappresenta, in astrofisica, il cosiddetto Ponte di Einstein-Rosen, che potrebbe teoricamente unire due punti dello stesso Universo e due Universi differenti. Una specie di doppio imbuto che ha un ingresso in un buco nero del nostro spazio-tempo e ha l’uscita in un altro buco nero, chiamato generalmente “Buco Bianco”.
Questa situazione ai limiti della fisica si basa su calcoli matematici e potrebbe effettivamente appartenere alla realtà del nostro Universo, anche se non si è ancora avuta nessun prova osservativa. Molti spererebbero di utilizzare i “wormhole” come scorciatoie per viaggiare nello Spazio-Tempo superando la velocità della luce o per visitare altri Universi. Fantascienza, ma chissà…
Rappresentazione schematica di un wormhole o ponte di Einstein-Rosen
Rappresentazione schematica di un “wormhole” o “ponte di “Einstein-Rosen”. Il Buco Nero in alto ha come controparte il Buco Bianco in basso. Ma il discorso può invertirsi cambiando il verso del tempo.

Poplawski è andato oltre. La sua idea è che il nostro Universo sia in realtà nato all’interno di un “wormhole”! Ossia dentro il buco del verme… Il suo studio si basava all’inizio sull’analisi del campo gravitazionale di un buco nero e del moto, al suo interno, di una particella di massa non nulla. Una ricerca ovviamente solo teorica, che tuttavia poneva un problema enorme e veramente assurdo. Il moto non può essere studiato restando fuori dall’orizzonte degli eventi del Buco Nero, ma d’altra parte la materia all’interno deve continuare ad esistere. Il solo modo per risolvere il problema è la possibilità di “esistere” all’interno di un Buco Nero.

Egli ha usato due modelli di Buco Nero, quello di Schwarzschild e quello, appunto, di Einstein-Rosen. Entrambi sono legittime soluzioni matematiche della relatività generale. Il problema è, come già detto prima, che la sicurezza sul moto di tali particelle potrebbe essere ottenuto solo entrando in Buco Nero. Chi è fuori non potrebbe mai vedere o sapere. Bisognerebbe entrare o meglio ancora risiedere al suo interno.

Queste condizioni si otterrebbero se il nostro Universo si fosse creato all’interno di un Buco Nero contenuto in un Universo ancora più grande. Dato che la teoria della relatività di Einstein non sceglie un orientamento del tempo, se un Buco Nero si può formare dal collasso gravitazionale di materia attraverso un orizzonte degli eventi nel nostro futuro (seguendo quindi una certa freccia temporale), allora potrebbe anche succedere il contrario (inversione della freccia del tempo). Questo processo altro non sarebbe che l’esplosione attraverso un Buco Bianco. In altre parole, materia che è emersa da un orizzonte degli eventi nel passato, proprio sotto forma di un Universo in espansione.

In realtà l’idea di Poplawski è estremamente corretta anche se difficilmente comprensibile o accettabile. Il wormhole che connette un Buco Nero con un Buco Bianco dice proprio questo: la materia che entra da una parte esce dall’altra. Ma la freccia del tempo può essere invertita. Ossia il buco bianco altro non sarebbe che un buco nero con il tempo che va al contrario e quindi da esso la materia non entra, ma esce. Ciò che è Buco Nero per un certo Universo è un Buco Bianco per l’altro e viceversa.

Il fisico ipotizza che tutti i buchi neri astrofisici siano dei wormhole, ciascuno con al suo interno un nuovo Universo, formatosi nel momento stesso della nascita di un Buco Nero. Ne consegue che anche il nostro Universo deve essersi formato all’interno di un Buco Nero di un altro Universo. Questa teoria, solo a prima vista bizzarra, risolverebbe non pochi problemi collegati alla teoria del Big Bang, come l’inflazione, ma soprattutto quelli della perdita di informazione per qualsiasi materia finita all’interno dell’orizzonte degli eventi.

Un punto quest’ultimo veramente sconvolgente per la fisica odierna. Pensateci bene… la scomparsa improvvisa di informazione è veramente più fantascientifica che la teoria precedente. Non riusciamo a concepirla veramente e risolviamo il tutto mettendo la polvere sotto al tappeto (anzi dentro al buco nero…) dicendo che non possiamo vedere cosa succede all’interno della singolarità.

Vi chiedo un piccolo sforzo di immaginazione e mi scuso se è difficile entrare in questi concetti (anche se sempre più facile che entrare in un Buco nero…). Ma state tranquilli che lo è anche per me, eccome! Comunque, non scandalizziamoci molto né sentiamoci inferiori se dovessimo essere stati creati nel buco di una mela … marcia … Anche questo è Natura e Bellezza.

Quanta massa ci vuole per formare un buco nero?

La domanda posta dal titolo sembrerebbe già avere una risposta leggendo i testi di astrofisica. Lo studio dell’ammasso aperto denominato Westerlund 1 pone invece nuovi dubbi e potrebbe alzare il valore critico della massa necessaria o, quantomeno, far rivedere le modalità evolutive delle ultime fasi stellari.

Il VLT dell’ESO ha studiato a fondo l’ammasso aperto Westerlund 1 e in particolare un magnetar (un tipo particolare di stella di neutroni) concludendo che quest’ultimo oggetto doveva provenire da una stella con una massa di almeno 40 volte quella del Sole. Normalmente si pensa che una massa del genere debba portare a un buco nero e invece in questo caso abbiamo soltanto una stella di neutroni. Facciamo allora un po’ di chiarezza sul problema.

L’ammasso Westerlund 1 è stato scoperto solo nel 1961, dato che è immerso in un’enorme nube interstellare di gas e polvere e quindi è rimasto “nascosto” a lungo. E’ relativamente vicino (16000 anni luce da noi) e si trova nella costellazione australe dell’Altare. Esso rappresenta un laboratorio eccezionale per lo studio della fisica stellare estrema. Si stima che contenga almeno 100000 stelle racchiuse in uno spazio inferiore ai 6 anni luce.

E’ quindi giovanissimo e si ha la certezza che tutte le sue stelle siano nate insieme, ossia abbiano tutte un’età compresa tra 3,5 e 5 milioni di anni. Questo dato è importantissimo, in quanto lo stadio evolutivo dei singoli astri ci può dare informazioni molto precise sulla loro massa. Ricordiamo infatti che più una stella è grande e prima raggiunge la sua fine.

rappresentazione artistica dell’ ammasso aperto Weterlund 1
Questa rappresentazione artistica mostra il magnetar del ricchissimo e giovane ammasso aperto Weterlund 1. L’ammasso contiene centinaia di stelle super massicce, alcune luminose come un milione di Soli. Misure molto accurate hanno dimostrato che la stella originaria che ha dato origine alla stella di neutroni doveva avere una massa di almeno 40 masse solari. Questo fatto pone nuove sfide agli studiosi dell’evoluzione stellare, in quanto le teorie odierne dicono che con tali masse la fine dovrebbe essere un buco nero. (Fonte: ESO/L. Calçada)

Le masse delle stelle dell’ammasso finora studiate sono tutte molto grandi, dell’ordine di 30-40 masse solari. Se il Sole si trovasse nel cuore del gruppo avremmo delle notti illuminate da centinaia di stelle più luminose della Luna Piena. Meriterebbe un viaggio… Ma torniamo all’età e alle massa del nostro “magnetar”. Innanzitutto, ricordiamo che si chiama magnetar una stella di neutroni che abbia un campo magnetico incredibilmente forte, dell’ordine di milioni di miliardi di volte quello terrestre.

Tutte le stelle di Westerlund 1 hanno, come già detto, la stessa età, ragion per cui la stella che ha dato origine al magnetar, dovendo già essere esplosa ha avuto una vita più breve di quella delle sue compagne ancora vive. La relazione massa-età ci dice allora che doveva essere più massiccia delle sorelle. Se si fosse riusciti a misurare la massa di una delle compagne più grandi si sarebbe quindi stati sicuri che la massa originaria della progenitrice del “magnetar” sarebbe stata una stella di massa sicuramente superiore. L’occasione è stata fornita da un sistema doppio (W13). In questi casi è immediato avere le masse delle componenti attraverso il moto orbitale.

La conclusione è stata sorprendente: il magnetar doveva essersi formato da una stella di almeno 40 masse solari. Per la prima volta si era osservato che questi oggetti peculiari potevano essere nati da stelle che normalmente dovrebbero portare a un buco nero. Ricordiamo infatti che le teorie accettate normalmente dicono che stelle di neutroni (e quindi anche i magnetar) dovrebbero formarsi da stelle comprese tra 10 e 25 masse solari. Dopo questo valore la fine dovrebbe essere un buco nero.

Una possibile spiegazione, che aprirebbe nuove strade sulla fenomenologia delle ultime fasi stellari, ipotizza che il progenitore del magnetar sia nato con una compagna. Durante l’evoluzione il sistema doppio iniziò ad interagire e l’energia derivata dal cambiamento del loro moto orbitale venne spesa soprattutto nell’espulsione di una enorme quantità di massa originale, superiore a quella relativa alle normali fasi di pre-supernova.

La perdita di massa potrebbe essere così stata anche superiore al 95% e quindi la massa finale al momento dell’esplosione molto ridotta e incapace di arrivare alla massa critica di un buco nero (circa 3 masse solari). A questo punto vale la penda di fare una piccola osservazione che potrebbe essere utile a molti: non si deve confondere la massa della stella originaria e la massa della stella dopo l’esplosione.

Per poter dare origine ad una supernova è necessario avere una massa originaria almeno 8 volte quella del Sole. Per produrre un buco nero è necessario che la massa dopo l’esplosione sia superiore a 3 masse solari. Dato che le stelle in fase pre-supernova perdono poco più del 90% della loro massa, ecco che per arrivare a essere buco nero la stella iniziale dovrebbe essere di almeno 25 masse solari.

Resta il fatto che non si vede più la compagna, ma essa potrebbe essere stata scagliata lontano al momento dell’esplosione della supernova. Se questa ipotesi fosse vera (e al momento non ci sono alternative) vorrebbe dire che l’evoluzione finale di una stella sarebbe fortemente legata al fatto di essere o non essere in un sistema doppio. Il “matrimonio” guiderebbe in modo fondamentale la perdita di massa e quindi la struttura di ciò che rimarrebbe dopo la morte.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Kip Thorne, Buchi neri e salti temporali. L’eredità di Einstein, Castelvecchi, 2017
  2. Mitchell Begelman, L’attrazione fatale della gravità. I buchi neri dell’universo, Zanichelli, Bologna, 1997
  3. Stephen Hawking, Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo, Rizzoli, Milano, 2000
  4. Stephen Hawking, Dove il tempo si ferma. La nuova teoria sui buchi neri, Rizzoli, 2016
  5. Jacob Bekenstein, Buchi neri, comunicazione, energia, Di Renzo Editore
  6. Astronomia.com – Vincenzo Zappalà
  7. Amici della Scienza

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