Un buco nero è una regione dello spazio in cui la gravità è così forte che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire una volta che attraversa l'orizzonte degli eventi. Gli astronomi non possono vedere i buchi neri direttamente, quindi deducono la loro presenza dagli effetti sulla materia vicina, la luce e lo spazio-tempo – attraverso dischi di accrescimento, stelle in orbita e onde chiamate onde gravitazionali. Due osservazioni fondamentali – il rilevamento di onde gravitazionali LIGO nel 2015 e l'immagine del Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi di M87 nel 2019 – hanno trasformato il concetto da teoria a prova diretta.
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I buchi neri si formano in più di un modo, e gli astronomi li ordinano in classi di dimensione in base alla massa piuttosto che a una singola storia di origine.
Come si formano i buchi neri
Il percorso meglio compreso è la morte stellare. Secondo il progetto NASA Imagine the Universe, un buco nero di massa stellare si forma quando una stella massiccia esaurisce il suo combustibile nucleare e il suo nucleo collassa sotto la sua stessa gravità – un processo che può accompagnare un'esplosione di supernova. La NASA afferma che questi buchi neri di massa stellare hanno tipicamente masse da circa 5 a 20 volte quella del Sole e sono sparsi in tutte le galassie ovunque stelle massicce hanno vissuto e sono morte.
All'altro capo della scala ci sono i buchi neri supermassicci, trovati al centro di quasi ogni grande galassia, con masse che variano da milioni a miliardi di volte la massa del Sole, secondo la NASA. Esattamente come questi giganti si formano e crescono è descritto dalla NASA come un'area di ricerca attiva, sebbene le osservazioni mostrino una correlazione tra la dimensione del buco nero centrale di una galassia e la dimensione della galassia stessa.
La NASA descrive anche una classe intermedia proposta, con masse tra gli intervalli stellari e supermassicci. L'agenzia nota che gli astronomi hanno iniziato a trovare possibili prove di buchi neri di massa intermedia solo di recente, dopo che molti candidati precedenti si sono rivelati spiegabili con altri processi fisici.
Come gli astronomi rivelano qualcosa che non emette luce
Un buco nero stesso non può essere visto perché non emette luce propria. La pagina NASA Imagine the Universe spiega che gli astronomi si basano invece sul rilevamento indiretto: cercano comportamenti negli oggetti vicini che possono essere spiegati solo dalla presenza di una massa molto grande, densa e invisibile. Ciò include materiale che viene attirato e riscaldato in un disco di accrescimento luminoso, o stelle che visibilmente orbitano un punto in cui non è visibile alcuna stella.
Un modo per immagazzinare questa evidenza indiretta è l'interferometria radio. Il Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi (EHT) collega osservatori radio in tutto il pianeta utilizzando una tecnica chiamata interferometria a linea di base molto lunga (VLBI), che, come spiegato dal sito di divulgazione della fisica Einstein-Online, combina osservazioni simultanee di più telescopi in dati equivalenti a un singolo telescopio delle dimensioni della Terra. Il buco nero non appare direttamente; quello che l'EHT registra è l'emissione radio dal gas caldo e vorticoso nel disco di accrescimento, con una regione centrale scura – l'ombra del buco nero – creata dove la luce si piega attorno all'oggetto sotto gravità estrema.
La prima immagine: M87
Il 10 aprile 2019, la collaborazione EHT ha rilasciato la prima immagine costruita in questo modo, mostrando il buco nero supermassicco al centro della galassia M87, situato a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra, secondo MIT News, che ha riportato il rilascio. MIT News ha riferito la massa dell'oggetto come approssimativamente 6,5 miliardi di volte quella del Sole, con l'orizzonte degli eventi ripreso che misura poco meno di 40 miliardi di chilometri di diametro. La campagna di osservazione ha combinato otto osservatori radio terrestri e ha coinvolto più di 200 ricercatori in tutto il mondo.
Ascoltare i buchi neri: onde gravitazionali
Un metodo di rilevamento separato non utilizza affatto la luce. Il 14 settembre 2015, alle 5:51 EDT, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha effettuato il primo rilevamento diretto di onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo previste dalla relatività generale di Einstein – secondo MIT News. Il segnale proveniva da due buchi neri, ciascuno circa 30 volte la massa del Sole, che si fondevano a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza. La collisione ha convertito l'energia equivalente a circa tre masse solari in onde gravitazionali, secondo il rapporto del MIT, brevemente irradiando più potenza di tutta la luce nell'universo visibile. I rivelatori laser gemelli da 4 chilometri di LIGO in Louisiana e Washington State hanno misurato una variazione nella lunghezza dei bracci inferiore a un diecimillesimo del diametro di un protone per registrare il segnale.
LIGO è stato successivamente raggiunto dal rivelatore Virgo in Italia e KAGRA in Giappone per formare la Collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), che Caltech riporta ha registrato approssimativamente 300 fusioni di buchi neri dal 2015, incluse più di 200 solo durante la sua quarta fase di osservazione. Nel novembre 2023, la collaborazione ha osservato la fusione dei buchi neri più massicci mai registrati da onde gravitazionali, un evento designato GW231123, che coinvolge oggetti di approssimativamente 100 e 140 masse solari che si sono fusi in un buco nero di circa 225 masse solari, ha riportato Caltech.
Fatti principali in sintesi
Classi di buchi neri e come sono stati rilevati
Classe / Evento
Massa (masse solari)
Metodo di rilevamento
Buco nero di massa stellare
~5–20
Indiretto: effetti su materia/stelle in orbita (NASA)
Massa intermedia (proposto)
Non precisamente definito dalla NASA; pochi candidati confermati
Indiretto, candidati confermati limitati (NASA)
Buco nero supermassicco
Milioni a miliardi
Indiretto; ripreso direttamente solo per M87* e Sagittarius A* (NASA/EHT)
M87* (primo ripreso, 2019)
~6,5 miliardi
Imaging VLBI radio, Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi
Fusione GW150914 (2015)
~30 + ~30 → buco nero finale
Interferometria di onde gravitazionali, LIGO
Fusione GW231123 (2023)
~100 + ~140 → ~225 finale
Interferometria di onde gravitazionali, LIGO-Virgo-KAGRA
I buchi neri di questa massa sono proibiti dai modelli standard di evoluzione stellare.
— Mark Hannam, Università di Cardiff, citato da Caltech sulla fusione GW231123
Insieme, i due metodi – l'immagazzinamento del materiale luminoso attorno a un buco nero con interferometria radio e l'ascolto del cinguettio delle onde gravitazionali di due buchi neri che si muovono a spirale insieme – danno agli astronomi modi indipendenti e complementari per confermare che un oggetto è un buco nero e per misurare la sua massa, anche se il buco nero stesso non emette mai nulla che possa essere visto direttamente.
Domande
Possiamo mai effettivamente vedere un buco nero?
No – un buco nero stesso non emette luce. Quello che telescopi come il Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi registrano è l'emissione radio dal gas caldo che turbina attorno (il disco di accrescimento), con un'ombra scura dove il buco nero blocca e piega la luce, secondo Einstein-Online e NASA.
Come si formano i buchi neri?
I buchi neri di massa stellare si formano quando una stella massiccia esaurisce il suo carburante e il suo nucleo collassa, a volte in una supernova, secondo la NASA. Come si formano i buchi neri supermassicci nei centri galattici è ancora un'area di ricerca attiva, afferma la NASA.
Qual è stata la prima immagine diretta di un buco nero?
Il 10 aprile 2019, la collaborazione del Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi ha rilasciato un'immagine del buco nero supermassicco nella galassia M87, a circa 55 milioni di anni luce di distanza, costruita da dati radio raccolti da otto osservatori, come riportato da MIT News.
Cosa sono le onde gravitazionali e come si correlano ai buchi neri?
Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo previste dalla relatività generale di Einstein; LIGO ha effettuato il primo rilevamento diretto il 14 settembre 2015, da due buchi neri in fusione di circa 30 masse solari ciascuno, situati a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza, secondo MIT News.
Quanto massicci possono diventare i buchi neri?
I buchi neri di massa stellare sono tipicamente 5–20 volte la massa del Sole (NASA), mentre i buchi neri supermassicci variano da milioni a miliardi di masse solari; il buco nero in M87 ripreso nel 2019 ha una massa di circa 6,5 miliardi di Soli, secondo MIT News.
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Un buco nero è una regione dello spazio in cui la gravità è così forte che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire una volta che oltrepassa l'orizzonte degli eventi. La maggior parte si forma quando una stella massiccia esaurisce il suo combustibile nucleare e il suo nucleo collassa; le versioni supermassicce crescono nei centri galattici per miliardi di anni. Le immagini dirette e le rilevazioni di onde gravitazionali hanno confermato la loro esistenza e testato la relatività generale di Einstein.
