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INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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Per chi è curioso e vuole approfondire

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I buchi neri possono essere definiti come oggetti celesti il cui campo gravitazionale è così intenso da formare intorno a sé una regione dello spaziotempo dalla quale nulla può uscire, compresa la luce e le altre radiazioni elettromagnetiche. Questa regione "a senso unico", che chiamiamo buco nero, è delimitata da una "superficie di non ritorno" chiamata orizzonte degli eventi. Ma cosa intendiamo esattamente quando parliamo di buchi neri?

Cos'è un buco nero

Tecnicamente, un buco nero è una massa che occupa un volume sferico sufficientemente piccolo, che dipende solamente dalla massa stessa. Per esempio, una massa come quella del Sole diventerebbe un buco nero se fosse compressa in un sfera di raggio 2,95 km. La superficie di questa sfera è chiamata orizzonte degli eventi perché nessun evento che accade al suo interno è in grado di avere una qualche influenza su ciò che sta all'esterno. L'enorme compattazione richiesta per creare un buco nero, infatti, genera un campo gravitazionale tale da impedire a ogni tipo di informazione (che sia materia o luce) di attraversare l'orizzonte degli eventi dall'interno verso l'esterno. Ecco perché si chiamano "buchi neri": sono "buchi nello spaziotempo" da cui non esce niente, nemmeno la radiazione!

Ma se i buchi neri non possono emettere luce, cosa stiamo guardando quando vediamo l'immagine di un buco nero come quella celeberrima del film Interstellar? Quello che vediamo in realtà è il disco di accrescimento del buco nero, che si può formare intorno al buco nero quando la materia che si trova nelle vicinanze precipita verso di esso, assumendo un comportamento rotatorio attorno al buco nero e scaldandosi fino a emettere grandi quantità di radiazione elettromagnetica (in bande diverse a seconda della temperatura di emissione). Non tutti i buchi neri formano un disco di accrescimento intorno a essi: se non c'è materiale attorno al buco nero, questo non ha nulla da attrarre a sé e pertanto sarà inattivo. Le caratteristiche del disco di accrescimento dipendono dalla distribuzione di materia del sistema.

Come si formano i buchi neri

I buchi neri di massa stellare si originano quando stelle massicce (almeno 8 masse solari circa), al termine della loro evoluzione, esplodono come supernovae. Una volta giunte al termine della loro vita, il nucleo di queste stelle implode sotto il peso dell'enorme quantità di materiale che lo sovrasta. Non avendo più a disposizione le reazioni termonucleari per contrastare la compressione, il nucleo collassa con una violenza tale da trasformarlo in un buco nero.

L'origine dei buchi neri supermassicci, invece, non è ancora de tutto chiara: certamente sono troppo grandi per essersi formati dal collasso di stelle massicce, sembrano anche troppo massicci perché possano essersi formati per fusione di miliardi di buchi neri più piccoli.

Tipologie di buchi neri

I buchi neri che conosciamo vengono classificati in base alla loro massa. Abbiamo quindi i buchi neri stellari e quelli supermassicci.

Buchi neri stellari

Il buco nero stellare più grande conosciuto finora è indicato con la sigla LB-1* e ha un massa pari a circa 70 volte quella del Sole. Questo oggetto sembra essere molto più massiccio di tutti gli altri buchi neri conosciuti della stessa categoria. Se la sua massa fosse confermata, la regione delimitata dal suo orizzonte degli eventi avrebbe un diametro di 200 km.

Illustrazione artistica dell'esplosione di una supernova. Credits: ESO/M. Kornmesser (CC BY 4.0).

Buchi neri supermassicci

La categoria dei buchi neri supermassicci rappresenta quella dei veri giganti dell'universo, con una massa da 100.000 masse solari fino a svariati miliardi di masse solari. Quelli che conosciamo si trovano tutti al centro delle galassie. L'idea più accettata al momento è che ogni galassia che non sia troppo piccola ne abbia uno nel suo centro.

Attualmente non sappiamo se esista un limite superiore alle dimensioni di questi oggetti, ma sono sono certamente tra gli oggetti singoli più grandi e massicci dell'intero universo.

Anche la Via Lattea, la nostra galassia, possiede un buco nero supermassiccio al centro della sua struttura a spirale: si tratta di Sgr A*, di cui è stato possibile ottenere una straordinaria immagine rivelando la radiazione elettromagnetica emessa dal materiale surriscaldato che cade verso di esso all'interno del suo disco di accrescimento. Un altro buco nero di cui è stato possibile ricavare una è quello al centro della galassia M87.

Immagine dell'ombra del buco nero Sgr A* al centro della Via Lattea. By EHT Collaboration (CC BY 4.0)

Categorie ipotetiche di buchi neri

Esistono inoltre tipologie di buchi neri ipotizzate in base a specifici meccanismi di formazione, ma finora mai osservate.

Cosa c'è tra i buchi neri stellari e quelli supermassicci? Come avrete intuito, esiste un "buco" nella distribuzione di massa dei buchi neri: non sono mai stati osservati infatti buchi neri di massa intermedia, cioè tra 100 e 100.000 masse solari (anche se forse recentemente uno di questi, con una massa pari a circa 800 masse solari, è stato individuato all'interno dell'ammasso globulare M4). Al momento non sono noti meccanismi che potrebbero generare direttamente buchi neri di questa massa, ma d'altra parte considerando che i buchi neri possono fondersi e sommare le loro masse per formare un buco nero più massiccio, non è nemmeno chiaro che cosa impedisca ai buchi neri più piccoli di fondersi e andare a riempire questo "buco" nella distribuzione. Questo fatto rimane uno dei problemi aperti nello studio della formazione dei buchi neri, e dimostra come ci sono ancora molte cose che non comprendiamo completamente riguardo questi sfuggenti oggetti spaziali.

L'ammasso globulare M4. Credits: NASA, STScI, WikiSky, Public domain, da Wikimedia Commons.

Buchi neri microscopici

Dal momento che i buchi neri possono emergere in qualunque situazione nella quale all'interno di una regione di spazio si trovi una sufficiente quantità di materia-energia da superare il limite di densità per la formazione di un orizzonte degli eventi, in i buchi neri possono avere anche dimensioni piccolissime. Una categoria ipotetica sono infatti i buchi neri microscopici: questi si potrebbero essere formati (in numero enorme) durante le prime fasi di espansione dell'universo, e avere origine quando le disomogeneità casuali nella distribuzione di materia e energia creano le condizioni per un collasso gravitazionale. Poiché si tratta di oggetti senza un corpo celeste progenitore, si parla in questo caso di buchi neri primordiali.

Buchi neri a collasso diretto

Un altro tipo ipotetico di buco nero senza un corpo celeste progenitore è rappresentato dai buchi neri generati dal collasso gravitazionale diretto di una nube di gas e polveri. Sarebbero buchi neri molto antichi, formato quando l' Universo era molto giovane e la materia era più concentrata di oggi, e potrebbero essere formati alla convergenza di zone ad alta densità di materia con flussi di gas e polveri spaziali. Se esistono, questi sono buchi neri molto massicci, con una massa intorno a 100.000 masse solari. La ragione per cui è questa categoria di buchi neri è stata ipotizzata è per spiegare il fatto che sono stati osservati buchi neri estremamente massicci in epoche molto precoci rispetto all'età dell'universo, che non potrebbero altrimenti essere giustificati dalla fusione di buchi neri di origine stellare poiché, stando ai modelli evolutivi che abbiamo a disposizione, non i sarebbe stato il tempo per creare oggetti così massicci in epoche così antiche.

Illustrazione artistica del quasar ULAS J1120+0641. Credits: ESO/M. Kornmesser (CC BY 4.0).

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