Buchi neri

I buchi neri sono regioni dello spaziotempo in cui la forza gravitazionale è così intensa che impedisce a qualsiasi forma di materia o radiazione, compresa la luce, di sfuggire. Il confine oltre il quale nemmeno la luce riesce ad uscire da questa regione dello spazio è detta orizzonte degli eventi. Al centro di un buco nero, secondo la teoria della relatività generale, si trova una singolarità gravitazionale, una regione in cui la curvatura dello spaziotempo diventa infinita. La natura esatta di queste singolarità è ancora oggetto di intenso dibattito e ricerca. Questa caratteristica li rende invisibili all'occhio umano. Per questa ragione sono chiamati "buchi neri" (black hole). Nonostante la loro invisibilità, la presenza di buchi neri può essere rilevata indirettamente attraverso le loro interazioni con la materia circostante e con la radiazione elettromagnetica.

Come rilevare la presenza di un buco nero. Pur non essendo direttamente osservabili, ci sono diversi metodi per stabilire la presenza di un buco nero. Ad esempio, la materia prima di cadere in un buco nero può formare un disco di accrescimento intorno a una regione oscura dello spazio. Nel disco la materia si riscalda a causa dell'attrito e può emettere radiazioni molto intense, rendendo visibili i confini del buco nero. Questo fenomeno è alla base della formazione dei quasar, che sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo. Un altro modo per osservare i buchi neri isolati sono le distorsioni alla luce delle stelle sullo sfondo, causate dalla forte gravità del buco nero. Lo spazio curvo causato dalla forza gravitazionale del buco nero deflette la luce quando gli passa vicino, purché al di fuori dell'orizzonte degli eventi, e questa deformazione della luce genera una sorta di "effetto lente" che permette di individuare la presenza del buco nero anche se invisibile. In alcuni casi un buco nero forma un sistema binario con un'altra stella vicina che gli orbita intorno, a cui lentamente "cattura" la massa. Dalla massa della stella vicina è possibile determinare indirettamente la massa del buco nero.

Come si forma un buco nero

I buchi neri si formano quando una stella di massa superiore a 6-8 masse solari collassa su se stessa al termine del suo ciclo di vita. Il collasso gravitazionale si verifica perché la stella ha esaurito le risorse chimiche per alimentare reazioni nucleari e la pressione delle radiazioni non è più sufficiente a compensare la forza di gravità. La stella diventa molto più densa e l'intensità gravitazionale così forte, da impedire persino alla luce di uscire perché la velocità di fuga è superiore alla velocità della luce (300mila km/s). Per questa ragione non possiamo vedere direttamente un buco nero.

Ad esempio, dopo l'esplosione di una supernova. Questo processo porta alla creazione di un punto di singolarità, in cui la densità della materia raggiunge valori infiniti e lo spaziotempo è curvato all'estremo.

In alternativa, i buchi neri possono anche formarsi attraverso l'accumulo di materia, come nel caso dei buchi neri supermassicci che si trovano al centro di molte galassie, che possono raggiungere milioni di masse solari attraverso l'assorbimento di stelle e la fusione con altri buchi neri. Infine, un buco nero può anche formarsi a seguito di un forte collisione ad elevata energia, tale da ottenere una densità sufficiente.

L'espansione dei buchi neri

Dopo la loro formazione, i buchi neri non rimangono statici, ma possono espandersi ulteriormente incorporando materia addizionale. Questo può avvenire in due modi

• Crescita per assorbimento
  Il gas e la polvere interstellare presenti nell'ambiente circostante vengono costantemente assorbiti da un buco nero, contribuendo alla sua crescita. Questo meccanismo potrebbe aver giocato un ruolo chiave nella formazione di alcuni buchi neri supermassicci, anche se la comprensione esatta di come si formano questi giganti cosmici rimane un'area di studio attiva. Anche i buchi neri di massa intermedia, che si trovano negli ammassi globulari, potrebbero essersi formati attraverso un processo simile.
• Crescita per fusione
  Oltre all'assorbimento di materia, i buchi neri possono anche aumentare la loro massa fondendosi con altre entità, come stelle o altri buchi neri. Si ritiene che queste fusioni siano state particolarmente significative durante le prime fasi di crescita dei buchi neri supermassicci, che potrebbero essersi sviluppati attraverso l'unione di numerosi oggetti più piccoli. Questo processo di fusione è stato anche proposto come possibile origine di alcuni buchi neri di massa intermedia.
  
  

Quando sono stati scoperti i buchi neri? Le prime ipotesi sulla loro esistenza risalgono al XVIII secolo, grazie ai lavori di John Michell e Pierre-Simon Laplace. Tuttavia, la prima soluzione moderna che descriveva un buco nero è stata trovata da Karl Schwarzschild nel 1916, nel contesto della teoria della relatività generale di Einstein. Nonostante ciò, per molti decenni i buchi neri sono stati considerati più una curiosità matematica che una realtà fisica, fino a quando negli anni '60 ulteriori sviluppi teorici hanno confermato che i buchi neri sono una previsione inevitabile della relatività generale. Il termine "buco nero" venne usato per la prima volta nel 1967 dal fisico John Archibald Wheeler e si diffuse rapidamente in ambito mediatico. In passato i buchi neri erano anche chiamati impropriamente "stelle nere".

Tipi di buchi neri

Esistono principalmente tre tipi di buchi neri, classificati in base alla loro massa:

• Buchi neri stellari
  Sono i buchi neri più comuni e hanno masse da circa 5 a 20 volte quella del Sole. Si formano quando una stella molto massiccia esaurisce il suo combustibile nucleare e collassa sotto la propria gravità, provocando una supernova o un'esplosione stellare che espelle le parti esterne della stella. Il nucleo rimanente collassa in un buco nero.
• Buchi neri di massa Intermedia
  Questi buchi neri sono significativamente più massicci, con masse da centinaia a migliaia di volte quella del Sole. Non è ancora chiaro come si formino, ma una teoria suggerisce che potrebbero formarsi in regioni dense di stelle dove le collisioni stellari sono frequenti, o da collisioni e fusioni di buchi neri stellari.
• Buchi neri supermassicci
  Questi buchi neri hanno masse da milioni a miliardi di volte quella del Sole. Si trovano generalmente al centro delle galassie, incluso il nostro Via Lattea. La formazione dei buchi neri supermassicci è ancora un argomento di ricerca attiva, ma si pensa che possano formarsi dall'accumulo di massa nel tempo o dalla collisione e fusione di buchi neri di massa intermedia. I buchi neri supermassicci attraggono continuamente materia attraverso dei grandi dischi di accrescimento rotanti. La loro presenza al centro delle galassie è suggerita dalle forti emissioni di raggi X rilevate nei nuclei galattici. Queste emissioni potrebbero essere causate dalla caduta di materia nel buco nero supermassivo.

Inoltre, esiste anche un tipo teorico di buco nero chiamato "buco nero primordiale". Questi buchi neri si sarebbero formati poco dopo il Big Bang, a causa di fluttuazioni di densità nell'universo primordiale. Potrebbero avere qualsiasi massa, da molto inferiore a quella del Sole a milioni di volte superiore. Tuttavia, l'esistenza di buchi neri primordiali rimane ancora un'ipotesi teorica non confermata.

La radiazione di Hawking

Nel 1974 Stephen Hawking propose una teoria secondo cui i buchi neri non sono completamente neri, ma emettono piccole quantità di radiazioni termiche, un fenomeno noto come radiazione di Hawking, è molto debole e quindi estremamente difficile da rilevare. Questo avviene perché i buchi neri assorbono tutta la radiazione che incide su di essi, emettendo in cambio particelle che formano uno spettro di corpo nero. Se questa teoria è corretta, i buchi neri perderebbero massa nel tempo a causa di questa emissione di radiazioni, rimpicciolendosi ed eventualmente "evaporando" fino a scomparire del tutto.

La temperatura di questa radiazione, chiamata temperatura di Hawking, è inversamente proporzionale alla massa del buco nero, quindi i buchi neri più grandi emettono meno radiazioni di quelli più piccoli. Pertanto, i buchi neri di massa stellare o più grandi tendono a crescere piuttosto che a rimpicciolirsi, poiché assorbono più massa dalla radiazione cosmica di fondo di quanta ne perdono a causa della radiazione di Hawking. I buchi neri molto piccoli, al contrario, emettono radiazioni a un ritmo molto più elevato e quindi evaporano molto più velocemente.

Nonostante i progressi della scienza, rimangono molti aspetti da scoprire e comprendere sui buchi neri.