I Buchi Neri Spiegati: Come si Formano, Come Appaiono e la Prova che Esistono

I buchi neri sono regioni dello spazio dove la gravità è sufficientemente forte che, oltre una certa linea, nemmeno la luce può scappare. Questo confine è chiamato orizzonte degli eventi, e la NASA lo descrive come il punto dove la velocità necessaria per scappare supera la velocità della luce.

Come si formano i buchi neri

La rotta più comune è la morte di una stella massiccia. Secondo la NASA, una stella con più di 20 masse solari che esaurisce il combustibile nucleare nel suo nucleo collassa sotto il proprio peso. Una volta che un nucleo che collassa supera circa tre masse solari, nessuna forza nota può fermare il collasso, e risulta un buco nero.

I buchi neri supermassicce, che si trovano nei centri delle grandi galassie e pesano tra 100.000 e miliardi di masse solari, sono più difficili da spiegare attraverso il solo collasso stellare. La NASA afferma che l'origine dei buchi neri supermassicce è poco compresa, anche se si sa che sono esistiti fin dai primi giorni della vita di una galassia.

I buchi neri crescono anche dopo la loro formazione, attirando il gas e la polvere circostante attraverso un processo chiamato accrescimento, e fondendosi con altri buchi neri.

La struttura di un buco nero

La descrizione della NASA dell'anatomia di un buco nero elenca diverse parti distinte. La singolarità è il punto teorico al centro dove, secondo la relatività generale, la materia viene schiacciata a una densità infinita. Che la circonda è l'orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno.

Più lontano, il gas e la polvere in caduta formano un disco di accrescimento, una struttura rotante che si riscalda mentre ruota verso l'interno, rendendola uno dei modi principali in cui gli astronomi rilevano i buchi neri. Vicino al buco nero, la luce può orbitare più volte prima di scappare, producendo un anello sottile e distorto noto come sfera fotonica. Alcuni buchi neri generano anche una corona di particelle a miliardi di gradi sopra il disco, e coppie di getti che sparano materia verso l'esterno quasi alla velocità della luce, con getti dai buchi neri supermassicce che si estendono per centinaia di migliaia di anni luce, secondo la NASA.

Tipi di buchi neri

Gli astronomi raggruppano i buchi neri per massa. I buchi neri di massa stellare vanno da circa tre a diverse dozzine di masse solari e sono sparsi nelle galassie come la Via Lattea. I buchi neri supermassicce ancorare i centri delle grandi galassie e pesano da 100.000 a miliardi di masse solari; quello nel cuore della galassia Messier 87 pesa più di 6 miliardi di masse solari, secondo la NASA. I buchi neri di massa intermedia, nella gamma da 100 a più di 10.000 masse solari, hanno pochi esempi confermati; la NASA chiama l'evento di fusione 2019 GW190521, che ha prodotto un buco nero di 142 masse solari, l'esempio più convincente di questa categoria fino ad oggi.

Come gli scienziati hanno provato che i buchi neri sono reali

Le immagini dirette di un buco nero sono impossibili nel senso normale, poiché nessuna luce scappa da dentro l'orizzonte degli eventi. Invece, i ricercatori cercano effetti indiretti, e due risultati di riferimento nell'ultimo decennio hanno trasformato i buchi neri da una previsione teorica in una realtà osservata.

Il primo è arrivato il 14 settembre 2015, quando i rilevatori Twin Advanced LIGO negli Stati Uniti hanno captato un segnale di onde gravitazionali, successivamente denominato GW150914, secondo il rapporto di Physics World sulla scoperta. Il segnale proveniva da due buchi neri, con masse di 36 e 29 volte il Sole, che si fondevano in un unico buco nero rotante di 62 masse solari a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza. La differenza, equivalente a 3 masse solari, era stata irradiata come onde gravitazionali. La rilevazione è stata misurata con una significatività statistica superiore a 5,1 sigma e ha confermato, tra le altre cose, che le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce, come previsto dalla relatività generale di Einstein.

Il secondo punto di riferimento è arrivato il 10 aprile 2019, quando la collaborazione Event Horizon Telescope ha pubblicato la prima immagine della silhouette di un buco nero, come riportato da MIT News. L'obiettivo era il buco nero supermassicce al centro di M87, 55 milioni di anni luce dalla Terra, con una massa di 6,5 miliardi di Soli e un orizzonte degli eventi di circa 40 miliardi di chilometri di diametro. Otto radiotelescopi a terra, dalle Hawaii e l'Arizona al Messico, Spagna, Cile e Antartide, hanno lavorato insieme come un unico strumento virtuale per catturare l'immagine, che mostrava un anello luminoso di gas brillante circondato da un'oscura 'ombra' centrale.

Secondo MIT News, più di 200 ricercatori da 13 istituzioni partner hanno contribuito al risultato del 2019, e l'ombra osservata ha corrisposto alle previsioni della relatività generale.

Effetti gravitazionali nello spazio circostante

Vicino a un buco nero, la materia in caduta spirale nel disco di accrescimento, che la NASA descrive come un 'disco caldo, luminoso e che gira rapidamente' – uno dei modi principali in cui gli astronomi rilevano i buchi neri anche se il buco nero stesso non emette luce. Questi stessi effetti gravitazionali curvano il percorso della luce che passa vicino, il che produce l'anello luminoso visto nelle immagini EHT piuttosto che un semplice cerchio scuro.

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