Le stelle invisibili: caccia ai buchi neri

Mi chiamo John Michell, e sono nato nel 1724. Ero professore all’Università di Cambridge e mi piaceva avere idee sugli argomenti più disparati, dalle stelle ai terremoti. Tutte erano un po’ troppo in anticipo sui tempi, infatti nessuna di esse mi ha reso famoso; per questo qualcuno mi chiama “il grande scienziato più sconosciuto della storia”.

Una di queste idee, in particolare, si è dimostrata sorprendentemente azzeccata, anche se estremamente difficile da dimostrare.

Quando nasco, Newton è morto da poco. Le sue teorie sono ancora fresche e rivoluzionarie, la sua legge della gravitazione universale spiega finalmente il moto dei pianeti e gli astronomi la applicano a tutto ciò che si vede nel cielo. Vien fuori che questa nuova forza scoperta da Newton è molto più potente di quanto possiamo immaginare. Un’altra delle cose che ci ha detto Newton è che la luce è fatta di particelle, che quindi dovrebbero sentire la forza di gravità. Allora, penso: può esistere una stella così grande, così massiccia che la sua gravità trattenga persino la luce?

Una stella simile sarebbe densissima, capace di inglobare tutto ciò che le sta attorno, ma anche invisibile: nessun tipo di luce potrebbe sfuggirle.

Oltre a immaginarla, però, penso anche a un modo per individuarla: se la stella “oscura” danza in un sistema binario, possiamo dedurre la sua presenza dai moti di rivoluzione della sua sorella visibile. È un’idea brillante, certo, ma impossibile da dimostrare con i mezzi dell’epoca.

E così la mia idea rimane là, abbandonata, per molto tempo. Oltretutto, nell’Ottocento vien fuori che la luce non è una particella ma un’onda, senza massa, quindi insensibile alla gravità. Ma poi nel Novecento Einstein dimostra che la gravità agisce anche sulla luce, curvando lo spazio-tempo ! E allora la mia idea di “stella oscura”, come le chiamano allora, torna di moda.

Appena un mese dopo la pubblicazione della teoria della relatività generale, il matematico tedesco Karl Schwarzschild trova la prima soluzione esatta alle equazioni di Einstein per il campo gravitazionale attorno a un oggetto sferico, come una stella. Tuttavia, la sua formula presenta una “singolarità”, un punto — a una distanza detta rₛ — in cui i calcoli non sono validi. A prima vista, non sembra rilevante: per la Terra, ad esempio, questo raggio è di appena 9 millimetri. Sarebbe un problema solo se l’oggetto sferico fosse incredibilmente denso.

Da lì comincia una lotta, tutta teorica, tra fisici  per capire come dovrebbe essere questo ipotetico oggetto così singolare. Nel 1939 Einstein usa la sua teoria della relatività per dimostrare che le mie “stelle oscure” non possono esistere; nello stesso anno, Oppenheimer usa la stessa teoria per dimostrare il contrario. Vengono fuori soluzioni matematiche sempre più raffinate per questi oggetti strani, ma la discussione rimane puramente teorica.

Le mie strane stelle sono chiamate in tanti modi, oscure, congelate, collassate… poi negli anni Sessanta John Wheeler, un americano, crea su suggerimento di uno studente un nome che rimarrà: il buco nero. È ispirato al “buco nero di Calcutta” una terribile prigione dove durante il periodo coloniale i ribelli indiani  ammassavano prigionieri inglesi, lasciandoli morire di caldo e soffocamento, un posto in cui tanti entravano, e nessuno usciva.

Inutile dirlo, il nome “buco nero” piace subito, diventando uno dei termini preferito dagli studiosi di astronomia (e anche dagli scrittori di fantascienza), un oggetto di fantasia impossibile da osservare.

Però… un oggetto con una gravità così forte dovrebbe continuamente rubare materia alle stelle vicine, risucchiandola in un gorgo gravitazionale che, a causa di velocità e attrito, dovrebbe avere temperature enormi, miliardi di gradi. Secondo i teorici, quindi, se i buchi neri esistono, devono essere circondati da una zona che emette tanti raggi X.

Nel 1964, gli americani lanciano un razzo appena fuori dall’atmosfera, dotato di un contatore Geiger. Durante il volo, il razzo rileva almeno otto sorgenti di raggi X, tra cui una potentissima, nella costellazione del Cigno. È battezzata Cygnus X-1 e diventa il primo serio candidato a essere un buco nero.

Nel 1975 Stephen Hawking scommette con un altro scienziato (Kip Thorne) che Cygnus X-1 NON è un buco nero. In realtà spera di perdere, perché tutti gli scienziati vogliono che i buchi neri esistano davvero. E perde! Visto l’accumularsi di evidenze, nel 1990 Hawkins paga a Thorne il premio della scommessa – un abbonamento alla rivista soft porno Penthouse; anche gli scienziati hanno certe passioni, come del resto la vita stessa di Hawkins dimostra.

Da allora, vi siete inventati di tutto per dimostrare che i buchi neri esistono davvero. Nel 2016, siete riusciti a usare le onde gravitazionali per rilevare, per la prima volta direttamente, la fusione di due buchi neri. Nel 2019, riuscite addirittura a fotografarne uno!

Lo fate in un modo davvero originale, con uno strano telescopio chiamato Event Horizon Telescope (EHT). L’EHT è composto da una rete di antenne radio sparse in tutto il mondo, dal Perù alla Groenlandia, dalla Francia al Polo Sud. Ogni antenna misura onde radio provenienti dal buco nero, con orologi atomici così precisi da registrare non solo l’intensità dell’onda, ma anche la sua fase. I dati vengono poi salvati su hard disk, trasportati in aereo in un unico centro, e sincronizzati. Grazie alla grande distanza tra le antenne, l’EHT funziona come un telescopio grande quanto la Terra.

Così avete ottenuto l’immagine di un buco nero distante milioni di anni luce, al centro della galassia Messier 87, nella costellazione della Vergine. Un mostro cosmico, con una massa stimata tra i 3 e i 6 miliardi di volte quella del Sole. Successivamente, avete fotografato anche Sagittarius A*, il buco nero al centro della via Lattea: “solo” quattro milioni di volte più massiccio del Sole.

I buchi neri sfidano la nostra comprensione: al loro interno, la definizione di materia perde ogni significato: elettroni, neutroni e protoni si fondono, lo spazio si curva su sé stesso, il tempo si arresta. Attorno a essi, vortici infuocati più grandi del nostro sistema solare divorano tutto ciò che incontrano. Quando un buco nero attrae gas, polveri o addirittura stelle intere, questa materia non cade dritta al centro. A causa della conservazione del momento angolare (lo stesso principio per cui un pattinatore gira più veloce se stringe le braccia), la materia inizia a spiraleggiare, formando un disco piatto e velocissimo chiamato disco di accrescimento. Scontrandosi a velocità pazzesche, la materia in questo disco si riscalda a milioni di gradi, trasformandosi in plasma (gas elettricamente carico). Poiché il plasma è fatto di particelle cariche in rapido movimento, genera campi magnetici incredibilmente intensi.

La teoria della relatività generale di Einstein ci dice che una massa che ruota trascina letteralmente con sé lo spazio e il tempo circostanti. Questo vortice spazio-temporale afferra le linee del campo magnetico del disco di accrescimento e le attorciglia strettamente attorno all’asse di rotazione del buco nero, creando due strutture a forma di imbuto in corrispondenza dei poli nord e sud. Mentre la gran parte della materia cade oltre l’Orizzonte degli Eventi, una minoranza di particelle elettricamente cariche è “catturata” dagli imbuti magnetici ai poli, che agiscono come un potentissimo acceleratore di particelle e le sparano verso l’esterno lungo l’asse dei poli a velocità prossime a quella della luce.

Oggi conoscete qualche decina di buchi neri, ma probabilmente ce ne sono milioni solo nella nostra galassia, e miliardi nell’intero universo. Eppure, i buchi neri continuano a nascondere segreti, e continueranno ad affascinare studiosi, scrittori e sognatori per secoli ancora.

Peccato che ci abbiate messo tre secoli; foste stati più veloci, diventavo famoso come Newton.

Copertina: Raffigurazione artistica di un buco nero (Image credit: NASA/JPL-Caltech)