La curiosità del mese a cura di Gabriele Ghisellini
Il 10 aprile 2019 è stata presentata al mondo la prima immagine di un buco nero.
Quasi tutti ci aspettavamo di vedere il “nostro” buco nero, quello che abita nel centro della Via Lattea.
Invece no, il primo buco nero ad essere ripreso è stato quello di una galassia gigante a noi vicina, M87, nel centro dell’ammasso di galassie della Vergine (Fig. 1).
Una galassia da 2400 miliardi di stelle, lontana da noi 53 milioni di anni luce.
E come mai, pur essendo così lontano, è stato il suo buco nero il primo ad essere immortalato dai nostri strumenti?
Perchè questo buco nero è un mostro da 6.5 miliardi di masse solari, ben 1600 volte più massiccio del “nostro”, che pesa “solo” 4 milioni di Soli.
Si sa, un’immagine vale più di 1000 parole. Ed è vero anche in questo caso.
C’è chi dice che non mostra niente di nuovo, che è tutto come previsto, e quindi è inutile.
Ma queste sono opinioni di chi ha dimenticato la grande diatriba che c’è stata nel passato riguardo all’esistenza dei buchi neri.
D’accordo, sono passati un po’ di decenni, ma non abbiamo dimenticato lo scetticismo dello stesso Einstein (addirittura), di sir Arthur Eddington e di altri scienziati eminenti.
E poi, credete che la scienza si accontenti di una teoria ben congegnata e logica, per decretare l’esistenza dei buchi neri? Assolutamente no.
Vogliamo le prove! E la foto È una prova. I buchi neri esistono!
Per arrivare a questo risultato c’è stato bisogno di sviluppare una tecnologia di assoluta avanguardia, capace di usare decine di radiotelelscopi sparsi su tutta la terra come se fossero un unico radiotelescopio.
Petabyte di dati e quasi due anni di analisi, ma ne valeva la pena (Fig. 2).
Quello che si è riusciti a fare è misurare dei dettagli minuscoli, come se qui, dalla Terra, riuscissimo a distinguere un fiammifero sulla Luna (Fig. 3).
Detto questo, cerchiamo di capire quello che la foto mostra.
Un po’ di emissione ad anello, più intensa in basso, e una zona scura al centro.
Raramente una descrizione così scarna racchiude così tanta fisica, e fisica tosta.
La cosa da capire è a cosa corrisponde la zona nera al centro.
Corrisponde alla zona dalla quale niente può sfuggire? Ma poi, se il buco nero è nero, perchè lo vediamo?
Andiamo con ordine: Primo: sì, il buco nero è nero. E lo è perchè neanche la luce può sfuggire da un buco nero.
Facciamo un esempio: se il Sole diventasse un buco nero, cosa succederebbe? Alla Terra che gli gira intorno niente: dato che la distanza Terra-Sole e la massa del Sole non cambierebbero, sentiremmo la stessa gravità e continueremmo ad orbitare attorno al neonato buco nero. Però non ci sarebbe più il giorno, ma solo una notte eterna.
Se invece una lampadina si trovasse a meno di 3 km di distanza da questo buco nero, allora il suo destino sarebbe segnato: cadrebbe verso il centro. Non solo la lampadina, ma anche la luce che emette. Quindi è vero: il buco nero è proprio nero. Qualunque cosa si trovi a a distanza minori della distanza di non ritorno è persa per sempre. Questa distanza di non ritorno è chiamata orizzonte degli eventi.
Per un buco nero non ruotante questa distanza viene chiamata anche raggio di Schwarzschild.
Più grande è la massa, più grande è il raggio di Schwarzschild.
Secondo: ma allora, per il buco nero di M87 quanto è grande il raggio di Schwarzschild, la distanza di non ritorno? 19.5 miliardi di km. Più grande di tutto il sistema solare, compreso Plutone. Impressionante (Fig. 4).
Terzo: ma se il buco nero non si vede, chi fa la luce che vediamo? La luce proviene dalla materia che sta cadendo verso il buco nero.
Questa materia forma una specie di disco, chiamato disco di accrescimento.
Prima di oltrepassare il limite di non ritorno si scalda così tanto da emettere.
È questa la luce che vediamo circondare la zona centrale scura.
Quarto: perchè questa luce è più forte in basso che in alto?
La materia che sta spiraleggiando verso il buco nero acquista via via più velocità.
Pensiamo al disco come ad un insieme di lampadine.
Se il disco fosse perfettamente perpendicolare alla nostra vista allora non ci sarebbe nessuna lampadina che si avvicina o si allontana da noi, ma sappiamo che per M87 questo non è il caso: sappiamo che l’inclinazione del disco è di circa 17 gradi (l’angolo tra l’asse di rotazione e la nostra linea di vista).
Quindi ci sono lampadine che si avvicinano a noi e altre che si allontanano. Quando una lampadina si muove verso di noi, la sua luce appare più forte, mentre la luce delle lampadine che si allontanano è più debole.
Quindi: la parte più brillante dell’anello luminoso è prodotta da materia che si muove (anche se di poco) verso di noi (Fig. 5).
Quinto: a cosa corrisponde la parte nera? Questa è la domanda più importante ed è anche la più difficile.
Dobbiamo sapere innanzi tutto che la materia che sta spiraleggiando verso il buco nero segue delle orbite abbastanza circolari fino ad una certa distanza, ma arrivate ad un certo punto la gravit€ si fa così forte che la materia cade quasi direttamente nel buco nero.
Se il buco nero non ruota, questo succede a 3 raggi di Schwarzschild. Oltrepassato questo punto, la materia cade veloce, e non ha molto tempo per emettere, prima di scomparire nel mostro.
Questo per la materia. Ma lo spazio, nei dintorni di un buco nero, è così distorto e incurvato che anche la luce, obbligata a seguire lo spazio, appare curvare.
A una distanza di 1.5 raggi di Schwarzschild succede per la luce quello che succedeva a 3 raggi di Schwarzschild per la materia.
Sarà questa la dimensione della macchia nera? No, non proprio.
Per capire ci viene in aiuto la Fig. 6. Immaginiamo di avere una torcia e di puntarla verso il buco nero. Quali sono i raggi di luce che non vengono intrappolati?
Quelli che passano ad una distanza maggiore di 2.6 raggi di Schwarzschild. Come mai? Perchè quelli che passano più vicino di così hanno le traiettorie già incurvate abbastanza da fare cadere i raggi di luce dentro il buco nero.
Quelli che passano a 2.6 raggi di Schwarzschild fanno quasi tutto un giro attorno al buco nero, e poi riescono a scappare.
È questa distanza che corrisponde alla macchia nera che vediamo.
Per saperne di più:
Come interpretare l’immagine di un buco nero – Un bellissimo video, in inglese ma con sottotitoli in italiano.
