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E se vivessimo in un buco nero?

Prima della comparsa dell’uomo, prima della formazione della Terra, prima della nascita del Sole, prima dell’esistenza delle galassie, prima ancora della luce, c’è stato il Big Bang. Siamo tornati a 13,8 miliardi di anni fa! E prima di allora?

Molti fisici sostengono che non ci sia un prima: il tempo ha iniziato a scorrere nel preciso istante in cui si è verificato il Big Bang, e che riflettere “sul prima” non rientri nella sfera della scienza.  Questo perché non riusciremo mai a capire che cosa preceda il Big Bang  o perché sia esploso per creare il nostro universo. Si tratta di nozioni che vanno al di là della comprensione umana. Tuttavia, alcuni scienziati anticonformisti non sono d’accordo. La loro teoria è che, un istante prima del Big Bang, tutta la massa e l’energia dell’universo fosse racchiusa in un granello incredibilmente denso ma pur sempre limitato: il seme di un nuovo universo.

Si pensa che questo seme fosse tremila miliardi di volte più piccolo di qualunque particella che l’uomo sia mai stato in grado di osservare. Eppure una particella così piccola può innescare la produzione di ogni altra particella così come di ogni galassia, sistema solare, pianeta e persona. Ma come è stato creato un seme simile? Una teoria che circola da diversi anni — sostenuta in particolare da Nikodem Poplawski dell’Università di New Haven — è che il seme del nostro universo sia stato forgiato nell’ambiente più estremo che esista: un buco nero.

La teoria dei multiversi

Prima di andare avanti, è fondamentale sapere che negli ultimi vent’anni molti fisici teorici sono giunti alla conclusione che il nostro universo non sia l’unico. Potremmo infatti far parte di un multiverso, una varietà infinita di universi distinti.

multiverso

Come e se un universo sia collegato a un altro è ancora oggetto di discussione. Tuttavia, una teoria interessante è che il seme di un universo sia simile al seme di una pianta: un piccola parte di materia essenziale compressa ai massimi livelli e protetta da un guscio.

Questa potrebbe essere una descrizione accurata del cuore di un buco nero. I buchi neri sono tutto ciò che resta delle stelle. Quando una stella esaurisce la sua carica, il nucleo collassa verso l’interno e la gravità stringe tutto in una morsa spietata. La temperatura raggiunge i 100 miliardi di gradi, gli atomi e gli elettroni si frantumano e i residui vengono ulteriormente compattati.

A questo punto, la stella si è trasformata in un buco nero e il suo campo gravitazionale è così forte che neanche un raggio di luce può sfuggirle. Il confine tra l’interno e l’esterno di un buco nero si chiama orizzonte degli eventi. Buchi neri enormi, alcuni dei quali milioni di volte più massicci del Sole, sono stati scoperti al centro di quasi tutte le galassie, compresa la nostra Via Lattea.

La vita in un buco nero

Se volessimo utilizzare le teorie di Einstein per definire la vita in un buco nero, incontreremmo un concetto ipotetico chiamato singolarità. Ma le teorie di Einstein, che forniscono calcoli straordinari sul cosmo, non funzionano con le enormi forze che agiscono all’interno di un buco nero. Fisici come il dottor Poplawski sostengono una teoria: la materia all’interno di un buco nero raggiunge un punto in cui non può essere compattata oltre. Questo “seme” può essere incredibilmente piccolo e avere il peso di un miliardo di Soli. Ma è reale!

Secondo il dottor Poplawski, il processo di compattazione si arresta perché i buchi neri ruotano. E lo fanno in modo estremamente rapido, quasi alla velocità della luce. Questa rotazione conferisce al seme compattato una torsione enorme. Non è solo piccolo e pesante, è avvitato su se stesso e compresso come un serpente a molla chiuso in un barattolo.
E può improvvisamente esplodere con un botto come il Big Bang o, come preferisce chiamarlo il dottor Poplawski, il “Big Bounce”.

In altre parole, è possibile che un buco nero sia un canale — un “ingresso a senso unico,” dichiara il dottor Poplawski — tra due universi. Questo significa che se ci trovassimo in un buco nero al centro della Via Lattea, potremmo finire in un altro universo (se non noi, le particelle frantumate di cui eravamo formati). Questo universo alternativo non è all’interno del nostro, aggiunge il dottor Poplawski, perché il buco nero è un collegamento come la radice comune che collega due alberi di pioppo.

E che cosa siamo noi in questo universo? Potremmo essere il prodotto di un altro universo del passato definito universo madre. Il seme dell’universo madre forgiato all’interno di un buco nero potrebbe aver avuto il suo Big Bounce 13,8 miliardi di anni fa. Da allora il nostro universo è ancora in espansione: e se la nostra esistenza fosse il frutto del misterioso susseguirsi di eventi di un buco nero? Forse un giorno lo scopriremo!

Ecco la prima immagine di un buco nero. “Einstein aveva ragione”

buco nero
L’ombra del buco nero al centro di M87, una enorme galassia a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra

Durante i lunghi mesi di silenzio, gli scienziati che la vedevano prendere forma, nei loro laboratori, già l’avevano battezzata la “foto del secolo”. E ora è stata svelata. La prima immagine di un buco nero è una silhouette oscura, la linea dell’orizzonte degli eventi che nessuno aveva mai visto, lì dove spazio e tempo si accartocciano e tutto ciò che ne valica il limite viene risucchiato e dal quale nemmeno la luce può emergere.

E come accadde esattamente 100 anni fa, con la celebre foto dell’eclissi solare, anche oggi “siamo di fronte alla conferma del Relatività di Einstein” ha detto il direttore del progetto Eht Sheperd S. Doeleman del Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian presentando l’immagine.

In realtà, il soggetto principale è una assenza. Una struttura ad anello con una regione centrale dalla quale non arrivano fotoni, ossia radiazione elettromagnetica, nessuna forma di luce. È l’ombra del buco nero al centro di M87, una enorme galassia a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra nel vicino ammasso della Vergine (e non, come ci si attendeva, di quello al centro della Via Lattea, Sagittarius A).

La foto che mostra per la prima volta il confine invalicabile di un buco nero è stata ‘sviluppata’ grazie all’osservazione simultanea di otto radiotelescopi in tutto il globo. E dopo anni di osservazioni e analisi, presentata in sei conferenze stampa internazionali dal progetto Event Horizon Telescope (Eht), che ha visto coinvolti una sessantina di istituti scientifici nel mondo, tra cui anche l’Istituto nazionale di Astrofisica. Ben sei articoli scientifici sono stati pubblicati in un numero speciale di The Astrophysical Journal Letters.

“Quello che stiamo facendo è dare all’umanità la possibilità di vedere per la prima volta un buco nero, una sorta di ‘uscita a senso unico’ dal nostro universo – ha aggiunto Doeleman – questa è una pietra miliare nell’astronomia, un’impresa scientifica senza precedenti compiuta da un team di oltre 200 ricercatori”.

Un’altra “foto del secolo” 100 anni dopo

Sono passati 100 anni esatti dalla prima immagine che rivoluzionò la fisica moderna anche agli occhi del grande pubblico. Quella scattata durante l’eclissi di Sole del 29 maggio 1919 diede al mondo la prova che la teoria della Relatività generale di Einstein era corretta. Sulla pellicola di Sir Arthur Stanley Eddington comparivano stelle in una posizione diversa da quella che avrebbero dovuto occupare: era la prova che il campo gravitazionale del Sole è in grado di piegare anche la luce, predizione fondamentale della teoria della Relatività.

Ora siamo davanti a un altro disco nero che oscura la vista della luce di sfondo, quella emessa dal gas caldo, che circonda questo ciclope cosmico, in caduta verso l’orizzonte degli eventi. La massa del buco nero è quasi sette miliardi di volte quella della nostra stella, il diametro 40 miliardi di chilometri, oltre 260 volte la distanza Terra-Sole, abbastanza da contenere tutto il Sistema solare. Di conseguenza, il suo orizzonte degli eventi è molto esteso e per questo è stato scelto come uno degli obiettivi del progetto Eht. È molto distante, ma talmente massiccio da apparire grande, osservandolo da Terra, come quello al centro della Via Lattea, Sagittarius A, che si trova a meno di 25mila anni luce e che pesa ‘appena’ qualche milione di soli. A differenza di Sag. A, è un quasar, un buco nero parecchio attivo, divora gas e proietta getti materia a velocità prossime a quelle della luce. Ed è proprio grazie a questa radiazione che possiamo osservare buchi neri lontani milioni o miliardi di anni luce.

Einstein ha ancora ragione

Era uno fra i risultati più attesi dalla comunità scientifica, verificare se la teoria della Relatività è valida anche nelle condizioni più estreme che possiamo trovare nel cosmo. “I primi dati sembrano suggerire che la Relatività generale sia valida anche qui. Lo studio dello spazio prossimo all’orizzonte degli eventi aprirà, letteralmente, nuovi orizzonti nello studio dell’accrescimento e dell’irradiazione da parte di buchi neri.” – spiega Fabio Pacucci, giovane fisico italiano esperto di teoria dei buchi neri e presto membro dell’istituto BHI (Black Hole Initiative) di Harvard – “Dal punto di vista teorico, questo è il risultato più importante che la ‘foto del secolo’ ci insegna.

albert einstein

La Relatività prevede che l’ombra dell’orizzonte degli eventi sia circolare. Forme alternative suggeriscono deviazioni dalla teoria di Einstein in regime di campo molto forte, o ‘strong field’, quello misurato nelle immediate vicinanze di un orizzonte degli eventi. Lo studio dello spazio prossimo all’orizzonte degli eventi aprirà, letteralmente, nuovi orizzonti nello studio dell’accrescimento e dell’irradiazione da parte di buchi neri”.”Una volta sicuri di avere l’immagine dell’ombra, abbiamo potuto paragonare le nostre osservazioni a modelli computerizzati che includono la fisica dello spazio deformato, la materia surriscaldata e forti campi magnetici. Molte delle caratteristiche dell’immagine osservata corrispondono sorprendentemente bene alla nostra comprensione teorica – osserva Paul T.P. Ho, membro del consiglio di amministrazione dell’Eht e direttore dell’East Asian Observatory – questo ci rende sicuri dell’interpretazione delle nostre osservazioni, compresa la nostra stima della massa del buco nero”.

Un telescopio grande come la Terra

Per osservare un oggetto così lontano e dalle dimensioni relativamente ridotte non basta puntare un telescopio, ne servono molti di più, distanti tra loro. In tutto otto a migliaia di chilometri l’uno dall’altro, dalle Ande cilene alle Hawaii, dal Messico alla Spagna, dagli Usa all’Antartide, che puntano contemporaneamente verso lo stesso angolo di cosmo. Tutte insieme è come se formassero un’unica, gigantesca, parabola, grande quasi come l’intero pianeta Terra. La tecnica usata è quella detta della “interferometria a lunghissima base”. I diversi radiotelescopi sono sincronizzati con un orologio atomico e i dati ottenuti da ognuno sono stati combinati attraverso algoritmi che gli scienziati hanno impiegato anni a sviluppare e poi a far girare. La risoluzione angolare stimata è di 20 secondi d’arco: sufficiente a “leggere una copia del New York Times sulla Luna stando seduti in un caffè di Parigi”.

Tra i telescopi, Alma in Cile, dello European Southern Observatory ha dato un apporto fondamentale per la riuscita. La calibrazione dei dati di Alma è affidata a un italiano,Ciriaco Goddi: “Alma è la struttura più sensibile dell’Eht e le sue 66 antenne ad alta precisione sono state fondamentali per questo successo” spiega Goddi, segretario del consiglio scientifico del consorzio Eht, che si è occupato della calibrazione Alma per l’Eht.

4 Petabyte di dati

Ogni telescopio ha raccolto migliaia di Terabyte di dati, troppo pesanti per essere spediti via Internet. Gli hard disk hanno viaggiato in aereo verso i due centri di calcolo dove si trovano i supercomputer: all’Haystack Observatory del Mit, nel Massachusetts, e l’altro al Max Planck Institut fur Radioastronomie, a Bonn. A due anni dall’osservazione, che è durata in totale appena una decina di giorni, i ricercatori sono riusciti a mettere insieme tutti i tasselli e a comporre la foto scattata non con luce visibile, ma usando le frequenze delle onde radio. Quelle che più facilmente riescono a eludere la cortina di gas che circonda la galassia e ad arrivare fino a noi.

Il contributo italiano dell’Inaf e Infn

L’Inaf è parte del progetto Europeo Black Hole Cam (Bhc), di cui lo stesso Ciriaco Goddi è il Project scientist. Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – Ira Bologna sono due ricercatrici del nodo italiano dell’Alma Regional Centre, nella sede dell’Inaf di Bologna. Nel 2018 entrambe sono entrate a far parte del progetto Bhc, finanziato dallo European Research Council e fanno a tutti gli effetti parte dell’Event Horizon Telescope Consortium, in cui sono membri dei gruppi di lavoro che si occupano di calibrazione e imaging: “La calibrazione dei dati Eht è stata una grande sfida: i segnali astronomici sono deboli nella banda millimetrica, e distorti per effetto dell’atmosfera, che varia molto velocemente a queste frequenze”, sottolinea Liuzzo, che insieme a Rygl ha partecipato allo sviluppo di uno dei tre software usati per la calibrazione dei dati Eht.

Alla ricerca hann collaborato anche alcune ricercatrici dell’Istituto nazionale di Fisica nucleare: “Questo straordinario risultato – spiega Mariafelicia De Laurentis, ricercatrice dell’Infn e professore di astrofisica all’Università Federico II di Napoli, che come membro della collaborazione Eht ha coordinato il gruppo di analisi teorica dell’esperimento – non solo ci regala la prima immagine di un buco nero, ma ci fornisce anche una prova diretta della presenza di buchi neri supermassicci al centro delle galassie e del motore centrale dei nuclei galattici attivi”. “Queste osservazioni – prosegue la ricercatrice dell’Infn – vengono ora a costituire un nuovo strumento di indagine per esplorare la gravità nel suo limite estremo e su una scala di massa che finora non era stata accessibile”.

L’elusivo Sagittarius A

I dati e la foto divulgati nell’evento internazionale sono quelli raccolti durante la prima campagna osservativa, nel 2017. I ‘soggetti’ da fotografare erano due: i buchi neri al centro di M87 e quello al centro della Via Lattea, denominato Sagittarius A, in qualche modo ritenuta più semplice da ottenere. In realtà, ci sono stati problemi nel visualizzare l’ombra di Sagittarius A, poiché la nostra galassia contiene molto gas e polvere al centro e noi lo osserviamo con una linea di vista proprio lungo il disco, ossia la regione a più alta concentrazione di polvere. Il buco nero al centro di M87, invece, è relativamente più facile da osservare ed è così tanto più massiccio che le dimensioni angolari sono praticamente identiche.

Riferimenti e approfondimenti

  1. A. Einstein, Zur allgemeinen Relativitatstheorie, Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften (1915) 778, Addendum-ibid. (1915) 799
  2. K. Schwarzschild, On the gravitational field of a sphere of incompressible fluid according to Einstein’s theory, Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. Berlin (Math. Phys.) 1916 (1916) 424-434
  3. M.D. Kruskal, Maximal Extension of Schwarzschild Metric, Phys. Rev. 119, 1743 (1960)
  4. R. Kerr, Gravitational field of a spinning mass as an example of algebraically special metrics, Physical Review Letters 11 237-238 (1963).
  5. R.H. Boyer, R.W. Lindquist, Maximal analytic extension of the Kerr metric, J. Math. Phys. 8, 265-81 (1967)
  6. Jacob Bekenstein, Buchi neri, comunicazione, energia, Di Renzo Editore
  7. Stephen Hawking, Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo, Rizzoli, Milano, 2000
  8. Stephen Hawking, Dove il tempo si ferma. La nuova teoria sui buchi neri, Rizzoli, 2016
  9. Immanuel Kant, Metaphysiche Anfangsgründe der Naturwissenschaft, ediz. II, pag. 33
  10. John Taylor, I buchi neri. La fine dell’universo?, Eco, Milano, 2002
  11. Kip Thorne, Buchi neri e salti temporali. L’eredità di Einstein, Castelvecchi, 2017
  12. Mitchell Begelman, L’attrazione fatale della gravità. I buchi neri dell’universo, Zanichelli, Bologna, 1997
  13. H. Stephani, D. Kramer, M. MacCallum, C.Hoenselaers, and E. Herlt, Exact Solutions of Einstein’s Field Equations, (Cambridge University Press, 2002).
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