← Torna agli articoli

Passiamo Al Lato Oscuro – Volume V

Matteo Agati16 min di lettura

“Siete Voi i protettori di questo Mondo? […] Il Vostro pianeta è condannato a morte! Il Vostro Mondo verrà inghiottito dal Divoratore. Non c’è niente che possiate fare per fermarlo, perché Lui è una Forza Universale, essenziale quanto le Stelle. Abbracciate i Vostri cari e dite ciò che avevate paura di dire. Usate questo tempo per gioire e festeggiare, perché non ve ne resta molto.
Io sono l’araldo del Suo inizio, l’araldo della Vostra fine, l’araldo… di Galactus ”.

Shalla-Bal (Silver Surfer)

Con questo macabro messaggio, Shalla-Bal, la “Silver Surfer”, annuncia al quartetto fantastico l’arrivo imminente del suo padrone Galactus, il “Divoratore di Mondi”, nel film “I Fantastici Quattro: Gli Inizi” (2025).

Nelle storie della Marvel, Galactus è un gigante di dimensioni colossali, ultimo sopravvissuto dell’Universo precedente ed il cui scopo è quello di accompagnare l’Universo attuale verso la sua fine, secondo un preciso percorso ciclico, destinato a ripetersi all’infinito.
Dotato dei poteri cosmici, Galactus vaga nello spazio a bordo di un’astronave di dimensioni comparabili alla Terra alla ricerca di pianeti abitati e ricchi di risorse energetiche, che poi divora senza alcun rimpianto per saziare la sua incredibile fame e garantire quindi la sua esistenza in vita.
Da sempre accompagnato da un araldo che gli indica quali pianeti facciano al caso suo, il Divoratore di Mondi è la personificazione dell’Entropia, ossia la tendenza universale alla disintegrazione, processo che lui stesso incarna e subisce. Mantiene l’equilibrio cosmico (e l’ordine sul piano universale) agendo come una Forza della Natura, necessaria ed inarrestabile.

Nella Nostra realtà esistono delle entità possenti che svolgono ruoli analoghi a quello di Galactus, sebbene non presentino una forma antropomorfa, come concepito dalla Marvel. Stiamo parlando dei Buchi Neri, ossia delle enormi fucine cosmiche in grado di inghiottire tutto ciò che le circonda, la materia, la luce ed il tempo inclusi. Alcuni astrofisici ritengono che ne esista almeno uno al centro di ogni galassia o al centro dei QUASAR, corpi celesti costituiti da ammassi di stelle e considerati sorgenti di radiazioni particolarmente intense.
Per nostra fortuna, al momento sono stati avvistati in regioni abbastanza remote dello spazio, con un raggio d’azione ben lontano dalla Terra, il che ci garantisce di stare qui a parlarne, tenendoli alla debita distanza.
Ma come nascono questi pozzi senza fondo e come si classificano? Scopriamolo insieme!

Storia dei Buchi Neri

Nel 1687 Isaac Newton (1643-1727) pubblicò i “Principia”, in cui descriveva la Teoria della Gravità. Lo scienziato inglese dimostrò che la Forza di Gravità impedisce ad ogni corpo di allontanarsi dalla Terra se questo non supera un certo limite, detto Velocità di Fuga vfv_f (vedi eq. 1), nell’ordine di 11,2 km/s11,2\ km/s. Tale valore dipende dal rapporto tra la Massa MM ed il Raggio RR di un corpo celeste (e. g., nel Sole vf∼617,3 km/sv_f \sim 617,3\ km/s), con G≈6,674⋅10−11N⋅m2kg2G \approx 6,674 \cdot 10^{-11} \frac{N \cdot m^2}{kg^2} che rappresenta la Costante di Gravitazione Universale.

vf=2GMRv_f = \sqrt{\frac{2GM}{R}}

[eq. 1]

Nonostante Newton non abbia mai parlato apertamente di buchi neri, ha di fatto gettato le basi per la loro scoperta.
Il primo ricercatore ad intuire l’esistenza di corpi massivi in grado di trattenere persino la luce fu il reverendo John Mitchell (1724-1793) nel 1783, il quale cercò di applicare il concetto di Velocità di Fuga ai corpuscoli della luce. Egli scoprì che le stelle con massa e raggio tali da portare ad una Velocità di Fuga nell’ordine della Velocità della Luce (∼300.000 km/s\sim 300.000\ km/s) dovrebbero avere corpuscoli luminosi vincolati a ricadere all’indietro. Tali stelle risulterebbero invisibili ad occhio nudo e, dunque, sarebbero delle Stelle Oscure (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Passiamo Al Lato Oscuro – Volume III”).

I buchi neri furono poi confermati dall’astronomo tedesco Karl Schwarzschild (1873-1916) nel 1916, ad un anno dalla pubblicazione della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein (1879-1955) (leggi l’articolo “Applicazioni Energetiche Della Relatività”). Schwarzschild risolse in modo esatto le “Equazioni di Einstein” nel tentativo di calcolare la geometria dello spazio-tempo intorno ad una massa. Si accorse che la Relatività prevedeva l’esistenza di oggetti il cui campo gravitazionale risulta talmente intenso da impedire sia alla materia che alla luce di sfuggire una volta varcato un confine, detto “Orizzonte degli Eventi” (vedi la rappresentazione stilizzata in Figura 1).

Lo scienziato tedesco aveva inconsapevolmente fornito la prima definizione di buco nero, ossia una singolarità della Relatività Generale circondata da un Orizzonte degli Eventi. L’espressione “Buco Nero” sarebbe apparsa solo nel 1964 ad opera dell’americano John Archibald Wheeler (1911-2008) che, alle intuizioni di Schwarzschild, aggiunse che nessun evento può influenzare un osservatore esterno, così come la massa all’interno di un buco nero risulta essere un oggetto invisibile.

Figura 1: Rappresentazione stilizzata dell’Orizzonte degli Eventi per un Buco Nero Supermassiccio (Fonte: reccom. org).

Le prime foto scattate ai Buchi Neri

I progressi tecnologici a partire dalla seconda metà del XX secolo hanno consentito ai cosmologi di accreditare i buchi neri sia come stadio finale del processo evolutivo di stelle massicce, sia come “collettori” al centro di molte galassie, come nel caso dei Buchi Neri Supermassicci.
Le conferme sperimentali sono arrivate nell’ultimo decennio: dalla rilevazione delle onde gravitazionali prodotte dalla fusione tra Buchi Neri Stellari (come osservato nel 2016 dai rilevatori Advanced LIGO negli USA) ai Buchi Neri Supermassicci individuati al centro delle galassie Messier 87 (M87*) e della Via Lattea (individuati nel 2019 dall’Event Horizon Telescope e riportati a confronto in Figura 2).

La caratteristica essenziale in un buco nero è quella di concentrare una massa enorme in uno spazio relativamente ridotto, come nel caso di Sagittarius A* (Sgr A*), un “minuscolo” buco nero 4 milioni di volte più pesante del nostro Sole e situato al centro della Via Lattea. È stato scoperto dall’astronoma Andrea Gehz e dall’astrofisico Reinhard Genzel, con la prima immagine scattata nel 2022. Secondo gli scienziati, la sua gravità è in grado di influenzare le stelle che gli orbitano intorno, anche quelle troppo lontane per essere osservate.

Figura 2: Il Buco Nero Supermassiccio al centro della galassia Messier 87 (M87*) a confronto con il Buco Nero al centro della Via Lattea, Sagittarius A* (Sgr A*) (Fonte: eso. org).

Classificazione standard dei Buchi Neri

Un Buco Nero si origina nel momento in cui la Forza di Gravità che agisce sulla materia diventa insostenibile, al punto che il collasso gravitazionale rende impossibile la fuga di qualsiasi tipo di informazione (e. g. materia e radiazione elettromagnetica).
Sebbene a prima vista sembrerebbe trattarsi di una sorta di morte biologica, un buco nero rappresenta, in realtà, la rinascita di una stella di grandi dimensioni dopo che questa ha bruciato l’intero combustibile nucleare che la manteneva in vita. Si potrebbe teoricamente associare un buco nero ad una Stella con massa 10 volte superiore a quella solare che, contraendosi, aumenta la propria densità, per poi crollare sotto il proprio peso, concentrando la propria massa in un punto, detto quindi “buco nero”.

In prima battuta, i buchi neri possono essere classificati in base alla loro massa M in quattro categorie, sebbene l’aspetto chiave nella formazione di un buco nero sia il rapporto tra massa e volume:

  • Buchi Neri Supermassicci: rappresentano i più grandi mai osservati, con masse nell’ordine di milioni di volte superiore a quella solare. Con una densità media inferiore a quella dell’acqua, si ritiene che ne sia presente almeno uno al centro di ogni galassia (inclusa la Via Lattea);
  • Buchi Neri di Massa Intermedia: con massa nell’ordine di centinaia o migliaia di volte quella solare (come nel caso di Ngc 6099 Hlx-1, riportato in Figura 3), il più delle volte originatisi dalla collisione di due stelle massicce in ammassi stellari o in seguito al collasso gravitazionale di una stella. Mostrano una densità media nettamente inferiore rispetto ai precedenti;
Figura 3: Rappresentazione di due galassie ellittiche, Ngc 6099 (in basso) e Ngc 6098 (in alto), con un pallino viola contenente il transiente X ed un pallino bianco in quello viola ritenuto un possibile ammasso globulare di NGC 6099 ed ospitante il Buco Nero di Massa Intermedia (Fonte: media. inaf. it).
  • Buchi Neri Stellari: le Stelle con massa almeno tre volte quella del Sole possono collassare in una Supernova e diventare un Buco Nero Stellare al termine del loro ciclo vitale, secondo quanto dimostrato da Richard Chace Tolman (1881-1948), Julius Robert Oppenheimer (1904-1967) e George Volkoff (1914-2000) nel 1939. Durante questo fenomeno la temperatura cala precipitosamente, mentre la stella si contrae sino a collassare su sé stessa. Di conseguenza, il volume diminuisce, producendo un oggetto miliardi di volte più piccolo di quello originale (vedi il caso della Stella Blu LB-1 in Figura 4);
Figura 4: Raffigurazione pittorica del sistema stellare costituito dalla giovane Stella Blu LB-1, in orbita attorno ad un buco nero, individuato dal moto orbitale perfettamente regolare della stella (Fonte: scienzainrete. it).
  • Microbuchi Neri (o Buchi Neri Microscopici): sebbene mai trovati, sono teoricamente possibili e si formerebbero quando le particelle (e. g., gli elettroni) collidono ad alta velocità. Mostrerebbero una massa simile a quella solare, ma tenderebbero ad evaporare rapidamente per effetto di un processo chiamato radiazione di Hawking, la quale causa una significativa emissione di particelle elementari (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Viaggio Nel Regno Quantico”) nel momento in cui il buco nero esplode. Secondo l’astrofisico Stephen William Hawking (1942-2018), ne basterebbe uno grande quanto una montagna per fornire energia a tutto il Pianeta Terra (vedi l’immagine stilizzata in Figura 5).
Figura 5: Rappresentazione stilizzata di un Buco Nero Microscopico (Fonte: repubblica. it).

Le Stelle dotate di masse comparabili a quella solare terminano il loro ciclo vitale come Nane Bianche o Stelle di Neutroni. Se la massa delle stelle cresce fino a 50–130 masse solari, la materia verrebbe espulsa senza dar luogo ad un buco nero, per via della formazione delle coppie elettrone-positrone all’interno della stella.

Altri possibili Buchi Neri

In alcuni casi la massa di questi mostri cosmici risulta essere troppo elevata per essersi originata dal collasso di una stella, al punto da coinvolgere la Materia Oscura (come vi abbiamo descritto nell’articolo “Passiamo Al Lato Oscuro – Volume III”). In questo scenario rientrano i Buchi Neri Primordiali (la cui scala temporale di evoluzione è riportata in Figura 6), ossia quei buchi neri risalenti alle prime fasi dell’Universo post Big Bang, in epoche in cui la distribuzione della densità nell’Universo era ben diversa da quella attuale.

Figura 6: Confronto tra i tempi in cui apparvero i primi buchi neri e le stelle in seguito al Big Bang (Fonte: media. inaf. it).

I QUASAR (QUASi-stellAR radio source), scoperti nel 1963 dall’astronomo olandese Maarten Schmidt, sono associabili a galassie site a distanze cosmologiche, migliaia di volte più luminose della norma. Tale luminosità si origina da un’attività significativa del nucleo, da cui vengono emessi getti di materiale a velocità relativistiche, cioè prossime a quella della luce. Il rilascio di energia gravitazionale è dovuto al materiale catturato da un Buco Nero Supermassiccio collocato nel nucleo della galassia. Intorno ad esso si accumulano gas e stelle che ruotano vorticosamente attorno al proprio asse, per poi cadere continuamente nel buco nero generando radiazione ad altissimi livelli, come nel caso di Sdss J114816.64+525150.3 (vedi la rappresentazione stilizzata in Figura 7).

Figura 7: Rappresentazione stilizzata del QUASAR Sdss J114816.64+525150.3 (Fonte: spaceconomy360. it).

Proprietà dei Buchi Neri

Nei buchi neri la Forza di Gravità è predominante su qualsiasi altra forza, al punto da provocare un collasso gravitazionale continuo che spinge la materia in un punto di singolarità con densità infinita. Questi corpi celesti sono in grado esclusivamente di implodere su sé stessi, senza mai esplodere, arrivando ad inghiottire solo gli oggetti vicini, poiché l’attrazione gravitazionale è inversamente proporzionale alla distanza dei corpi che ruotano intorno ad essi.

Il più delle volte, quando la materia si avvicina ad uno di questi mostri cosmici, comincia a ruotare lungo una spirale, riscaldandosi e brillando in quello che è detto Disco di Accrescimento (vedi Figura 8), fino ad essere poi risucchiata dal buco nero. Tutto ciò che accade oltre l’Orizzonte degli Eventi non è ben chiaro, anche se i calcoli dimostrano che lì sia lo spazio che il tempo sono profondamente distorti dalla relazione estrema tra massa e volume al punto da risultare indescrivibili con gli odierni modelli fisici. Infatti, al netto di correzioni di natura quantistica, la materia che attraversa l’Orizzonte degli Eventi prima o poi si imbatterà in una singolarità, ossia una regione in cui la curvatura dello spazio-tempo risulta infinita (leggi l’articolo “Passiamo Al Lato Oscuro – Volume IV”) ed in cui la Teoria della Gravità di Einstein non è più valida. Secondo il fisico americano John Wheeler, “La materia dice allo spazio come curvarsi; lo spazio dice alla materia come muoversi”.

Figura 8: Rappresentazione schematica del disco di gas a doppia gobba in moto turbolento intorno ad un buco nero. L’estrema gravità del buco nero devia il tragitto della luce proveniente dalle varie parti del disco, producendo un’immagine deformata (Fonte: media. inaf. it).

Secondo Schwarzschild, l’Orizzonte degli Eventi può essere rappresentato come una massa concentrata in una sfera con un raggio inferiore ad un dato valore, tale da impedire ad alcuna informazione (incluse particelle e fotoni) di raggiungere un osservatore esterno, poché la velocità di fuga risulterebbe superiore alla velocità della luce. La superficie dell’Orizzonte degli Eventi rappresenta la regione in cui le due velocità si eguagliano.
Se un raggio di luce transita sufficientemente vicino all’Orizzonte degli Eventi ma senza toccarlo, esso viene curvato dall’attrazione del campo gravitazionale del buco, riuscendo comunque a proseguire il suo percorso.
Al contrario, se entra all’interno di tale regione, non avrà più modo di uscirne.

Conclusioni

I Buchi Neri rappresentano un crogiolato di scienza, in grado di mettere insieme discipline diverse, dalle Leggi di Gravitazione alla Teoria della Relatività, passando per la Fisica Quantistica e Subatomica. Da circa un secolo continuano ad affascinare molti racconti di fantascienza, facendo da sfondo alle vicende ambientate nello spazio.
Con queste poche righe abbiamo cercato di fornirvi un quadro generale sulla loro storia, classificazione e proprietà, gettando le basi per ciò che affronteremo nelle prossime settimane. Tuttavia, a molti di voi potrebbe essere sorto il dubbio: ma se questa saga parla della Materia Oscura, in che modo i “Divoratori Cosmici” si inseriscono nel discorso?

Nell’ultima puntata scaveremo più a fondo nelle origini dell’Universo, cercando di dare una collocazione temporale ai Buchi Neri Primordiali, ossia ai buchi neri più antichi, originatisi all’alba dei tempi. Scopriremo che il loro processo di formazione e la successiva trasformazione in Buchi Neri Supermassicci non hanno seguito un percorso autonomo. Hanno richiesto l’avvento della Materia Oscura, la quale ha fornito i “semi” sufficienti per la sussistenza e l’accrescimento di questi mostri cosmici. Vedremo anche alcuni fenomeni legati ai buchi neri ed il comportamento di questi ultimi in un Sistema Binario.
Insomma tanti argomenti per un gran finale. Gli ospiti più graditi sarete certamente voi. Vi aspettiamo!

Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti: