Da oltre un secolo, i buchi neri affascinano non solo gli appassionati di astronomia ma anche i fisici di tutto il mondo, che continuano a studiarli con fervente interesse. Uno dei misteri che circondano questi enigmatici oggetti è la loro formazione, ancora oggi poco compresa.
Cos’è un buco nero?
Il concetto di buco nero risale al 1796, quando il matematico e fisico francese Pierre-Simon de Laplace si chiese se fosse possibile che un oggetto potesse essere talmente denso da avere una velocità di fuga superiore a quella della luce, che viaggia a circa 300.000 km/s.
La velocità di fuga rappresenta la velocità minima necessaria per sfuggire all’attrazione gravitazionale di un corpo celeste. Sulla Terra, questa velocità è di appena 11,3 km/s, quasi trentamila volte inferiore alla velocità della luce. Ciò significa che, ad esempio, un razzo deve raggiungere questa velocità per poter superare l’attrazione gravitazionale terrestre e entrare nello spazio.
L’idea chiave è che per intrappolare la luce serve un corpo celeste molto più denso della Terra. Questa teoria venne ulteriormente sviluppata nel 1916, un anno dopo la pubblicazione della teoria della relatività generale di Albert Einstein, da parte del fisico tedesco Karl Schwarzschild. Schwarzschild dimostrò che un oggetto sufficientemente denso potrebbe impedire alla luce di sfuggire, creando così un buco nero.
L’orizzonte degli eventi rappresenta la “barriera” del buco nero: se della materia o della luce si trovano al di là di questo limite, non c’è via di fuga. Questo orizzonte è la superficie di una sfera, il cui raggio è noto come raggio di Schwarzschild, che definisce la “dimensione” del buco nero. Questo raggio è direttamente proporzionale alla massa dell’oggetto e, sorprendentemente, è estremamente ridotto: un buco nero con la stessa massa del Sole avrebbe un raggio di soli circa 3 km, rispetto ai 700.000 km del Sole.
Oggi, grazie ai progressi nelle tecniche di osservazione, siamo in grado di fotografare direttamente un buco nero. Come esempio, possiamo ammirare l’immagine di quello situato nel centro della nostra galassia, noto come Sagittarius A*.
La formazione di un buco nero: le diverse teorie
La formazione dei buchi neri è uno degli enigmi più affascinanti dell’astrofisica. Tuttavia, esistono diverse teorie che cercano di spiegarla, a seconda della massa del buco nero in questione.
Nel caso di uno con una massa simile a quella del Sole, si parla di “buco nero stellare”. Questi buchi neri si formano quando una stella, alla fine della sua vita, collassa su se stessa. Quando una stella ha consumato tutto l’idrogeno nel suo nucleo e la pressione generata dalle reazioni nucleari non è più in grado di contrastare l’attrazione gravitazionale, la stella collassa. La densità del nucleo stellare aumenta notevolmente e può evolversi in una nana bianca, una stella di neutroni o un buco nero, a seconda della massa iniziale della stella. In modo simile, una nana bianca può collassare gravitazionalmente in una stella di neutroni o un buco nero quando supera una certa massa critica nota come “limite di Chandrasekhar,” circa 1,4 volte la massa del Sole. Una stella di neutroni, a sua volta, può collassare in un buco nero quando raggiunge il “limite di Tolman-Oppenheimer-Volkoff,” che equivale a circa 2,5 volte la massa del Sole.
I buchi neri stellari possono anche fondersi tra loro, creandone uno più massiccio. Questo fenomeno si verifica nei cosiddetti “sistemi binari” in cui due oggetti celesti orbitano l’uno attorno all’altro. Un noto esempio di sistema binario è il pianeta Tatooine della saga di Star Wars, che orbita intorno a due stelle.
In alcuni sistemi binari, uno dei componenti o entrambi i componenti possono essere buchi neri. In questi casi, i due oggetti si avvicinano gradualmente fino a fondersi, dando vita a un buco nero più massiccio. La fusione di due buchi neri è già stata osservata, soprattutto attraverso la rilevazione delle onde gravitazionali.
Esiste anche una categoria di buchi neri nota come “buchi neri supermassicci” che possono avere masse che vanno da un milione a diverse miliardi di volte quella del Sole. Ad esempio, il buco nero al centro della nostra galassia, la Via Lattea, chiamato Sagittarius A*, è un buco nero supermassiccio con oltre 4 milioni di masse solari. L’origine di questi buchi neri è ancora oggetto di discussione tra gli scienziati. Una delle teorie più accreditate riguarda l’ipotesi che si siano formati attraverso il collasso gravitazionale di enormi nuvole di gas nell’universo primordiale.
I buchi neri, a lungo considerati come misteri scientifici ipotetici, sono oggi oggetto di osservazioni dettagliate da parte della comunità scientifica. Tuttavia, nonostante i progressi, molti segreti rimangono ancora nascosti, tra cui il processo di formazione e ciò che si cela all’interno dell’orizzonte degli eventi.
