Il "compattatore spaziale"

Quanti affascinanti racconti di fantascienza sono ricorsi al concetto fisico di “buco nero” per narrare avventure da svolgersi in tunnels spazio temporali dove violare i limiti imposti ai viaggi spaziali dalla velocità della luce, entrare in altre dimensioni o, addirittura, viaggiare nel tempo. Ma nell’immaginario collettivo il buco nero è soprattutto quel terribile mostro, magari creato artificialmente dall'uomo a causa di imprudenti esperimenti, capace di risucchiare qualsiasi cosa al suo interno come un gigantesco aspirapolvere.

Ma cos’è davvero un buco nero ?

Nella Relatività Generale si definisce buco nero una regione di spazio da cui nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Cio’ puo’ avvenire attorno a un corpo celeste estremamente denso dotato di un'attrazione gravitazionale talmente elevata da non permettere l'allontanamento di alcunché dalla propria superficie. Questa condizione si ottiene quando la velocità di fuga dalla sua superficie è superiore alla velocità della luce. Un corpo celeste con questa proprietà è invisibile e la sua presenza potrebbe essere rilevata solo indirettamente, tramite gli effetti del suo intenso campo gravitazionale.
Ma come nasce un buco nero ?
Nel nucleo di una stella alla fine del proprio ciclo vitale, dopo essersi consumato, tramite fusione nucleare, il 10% dell'idrogeno trasformatosi in elio, si arrestano le reazioni nucleari. La forza gravitazionale che prima era in equilibrio con la pressione generata dalle reazioni di fusione nucleare, prevale e comprime la massa della stella verso il suo centro. Quando la densità diventa sufficientemente elevata può innescarsi la fusione nucleare dell'elio, in seguito alla quale c'è la produzione di litio, azoto e altri elementi (fino all'ossigeno e al silicio). Durante questa fase la stella si espande e si contrae violentemente più volte, espellendo parte della propria massa. Le stelle più piccole si fermano ad un certo punto della catena e si spengono, raffreddandosi e contraendosi lentamente, attraversano lo stadio di nana bianca e nel corso di molti milioni di anni diventano una sorta di gigantesco pianeta. Se invece il nucleo della stella supera una massa critica, detta limite di Chandrasekhar pari a 1,4 volte la massa solare, le reazioni possono arrivare fino alla sintesi del Ferro. La reazione che sintetizza il ferro per la formazione di elementi più pesanti è endotermica, richiede energia invece che emetterne, quindi il nucleo della stella diventa una massa inerte di ferro e non presentando più reazioni nucleari non c'è più nulla in grado di opporsi al collasso gravitazionale. A questo punto la stella subisce una contrazione fortissima che puo' causare una gigantesca esplosione, detta esplosione di supernova di tipo II. Durante l'esplosione quel che resta della stella espelle gran parte della propria massa, che va a disperdersi nell'universo circostante; quello che rimane è un nucleo estremamente denso e massiccio. Se la sua massa è abbastanza piccola da permettere alla pressione di degenerazione http://it.wikipedia.org/wiki/Materia_degenere di contrastare la forza di gravità si arriva ad una situazione di equilibrio e si forma una stella di neutroni. Se la massa supera le tre masse solari (limite di Volkoff-Oppenheimer) non c'è più niente che possa contrastare la forza gravitazionale; inoltre, secondo la Relatività generale, la pressione interna non viene più esercitata verso l'esterno (in modo da contrastare il campo gravitazionale), ma diventa essa stessa una sorgente del campo gravitazionale, rendendo così inevitabile il collasso infinito.

Un vero e proprio “compattatore spaziale”.

A questo punto la densità della stella morente, ormai diventata un buco nero, raggiunge velocemente valori tali da creare un campo gravitazionale talmente intenso da non permettere a nulla di sfuggire alla sua attrazione, neppure alla luce: si ha una curvatura infinita dello spaziotempo, che può far nascere dei cunicoli all'interno di buchi neri in rotazione. Alcuni scienziati hanno così ipotizzato che, almeno in linea teorica, è possibile viaggiare nel passato, visto che i cunicoli collegano due regioni diverse dello spaziotempo. A causa delle loro caratteristiche, i buchi neri non possono essere "visti" direttamente ma la loro presenza può essere ipotizzata a causa degli effetti di attrazione gravitazionale che esercitano nei confronti della materia vicina e della radiazione luminosa in transito nei paraggi o "in caduta" sul buco. In astronomia, un disco di accrescimento è una struttura formata da materiale che cade in una sorgente di campo gravitazionale. La conservazione del momento angolare richiede che, quando un'estesa nube di materiale collassa verso l'interno, ogni piccola rotazione che essa ha all'inizio debba aumentare. La forza centrifuga costringe la nube rotante a collassare in un disco e forze di marea tendono ad allineare la rotazione del disco con la rotazione della sorgente gravitazionale posta al centro. L'attrito tra le particelle del disco genera calore e dissipa il momento orbitale causando la caduta del materiale del disco verso il centro in lente spirali, finché non impatta contro il corpo centrale. I dischi di accrescimento più spettacolari che si trovano in natura sono quelli dei nuclei galatticiattivi: mentre la materia spiraleggia verso un buco nero supermassiccio centrale, il forte gradiente gravitazionale porta allo sviluppo di un forte calore. Il disco di accrescimento di un buco nero è abbastanza caldo da emettere raggi X, quindi temperature di milioni di gradi, poco prima di attraversare l'orizzonte degli eventi. In realtà un buco nero non è del tutto nero: esso emette particelle, in quantità inversamente proporzionale alla sua massa, portando ad una sorta di evaporazione. Questo fenomeno, dimostrato nel 1974 per la prima volta dal fisico Stephen Hawking, è noto come radiazione di Hawking ed è alla base della termodinamica dei buchi neri. La radiazione di Hawking è una radiazione termica che si ritiene sia emessa dai buchi neri a causa degli effetti quantistici. Si può comprendere il processo a livello fisico immaginando la radiazione particella-antiparticella emessa appena oltre l’orizzonte degli eventi. Un orizzonte degli eventi è, nell'accezione più diffusa, un concetto collegato ai buchi neri, una previsione della relatività generale. Secondo questa teoria, lo spazio ed il tempo formano un unico complesso con quattro dimensioni reali (detto spazio tempo). Nel caso di un buco nero di Schwarzschild, l'orizzonte degli eventi si crea nel momento in cui, in un corpo autogravitante, la "materia" (concetto utilizzato qui per identificare insieme la massa e l'energia, che secondo la relatività generale sono la stessa cosa) è così concentrata che la velocità di fuga dovrebbe essere pari o addirittura superiore a quella della luce.Secondo una definizione data da Roger Penrose in un buco nero, l'orizzonte degli eventi è una particolare superficie dello spazio-tempo che separa i posti da cui possono sfuggire segnali da quelli da cui nessun segnale può sfuggire. In un’accezione molto più generale, se per "evento" si intende un fenomeno (particolare stato della realtà fisica osservabile), identificato dalle quattro coordinate spazio-temporali, un "orizzonte degli eventi" può essere definito come una regione dello spazio-tempo oltre la quale cessa di essere possibile osservare il fenomeno. Nel caso dei buchi neri di Schwarzschild, l'orizzonte degli eventi è una superficie sferica che circonda una singolarità posta al centro della sfera; quest'ultima è un punto nel quale la densità assume un valore infinito. La singolarità potrebbe non essere necessaria, secondo alcune teorie (gravità quantistica - gravità quantistica a loop) che postulano lo spazio-tempo come una entità dotata di una realtà fisica, e non solo un mero concetto matematico, suddiviso in elementi discreti del diametro di una lunghezza di Planck. In altri termini, lo spazio-tempo avrebbe, secondo la suddetta teoria, un ruolo fisicamente attivo, non passivo e la sua struttura intima sarebbe costituita da veri e propri "atomi" che formerebbero una densa rete in continua evoluzione. In condizioni normali non si percepirebbe la struttura atomica dello spazio-tempo, il quale apparirebbe un continuo matematico e l'universo sarebbe descritto dalla relatività generale, ma a distanze nell'ordine della lunghezza di Planck le cose cambierebbero radicalmente: gli effetti quantistici e gravitazionali assumerebbero intensità confrontabili. Sarebbe come se lo spazio assumesse una "personalità fisica" propria ed interagisse con l'energia (massa) in modo attivo. Molti risultati sono solo di tipo speculativo o ipotetico, considerato che, al momento nessuno ha mai visto "da vicino" un buco nero (sono spesso avvolti da dischi di accrescimento o densi aloni di materia). C'è, inoltre, da osservare che dall'interno di un buco nero non può uscire alcuna informazione che possa dire alcunché sulla sua struttura intima o, perlomeno, non esiste una teoria di riferimento ben consolidata e suffragata da dati osservativi.

Tornando, allora, alla radiazione di Hawcking questa non proviene direttamente dal buco nero stesso, ma piuttosto è il risultato di particelle virtuali che – nascendo in coppia continuamente nel vuoto cosmico – diventano reali a causa della forza gravitazionale del buco nero. Per essere più precisi, le fluttuazioni quantistiche del vuoto provocano la comparsa di coppie particella-antiparticella in prossimità dell’orizzonte degli eventi dell’oggetto celeste. Una particella della coppia cade nel buco nero, mentre l’altra riesce a sfuggire nell’universo esterno. Per rispettare il principio di conservazione dell’energia complessiva, la particella che è precipitata nel buco nero deve avere energia negativa (rispetto a un osservatore che si trovi lontano dal buco nero). Mediante questo processo il buco nero perde massa e a un osservatore esterno sembrerebbe che il buco stesso abbia appena emesso una particella.

Resta irrisolto il problema matematico della “singolarità” che impedisce di mettere d’accordo Relatività Generale e Meccanica Quantistica.

D’altronde se è possibile teorizzare una singolarità matematica non puo’ esistere una singolarità fisica, nonostante il compattatore spaziale voglia costringere l’infinitamente grande a diventare infinitamente piccolo.

Stefano Gusman.