Buchi neri spiegati: come si formano, come funzionano e come sono stati finalmente fotografati

Un buco nero è definito dalla NASA come un oggetto astronomico con un'attrazione gravitazionale così forte che nulla, inclusa la luce, può sfuggire. Il punto di non ritorno intorno a un buco nero è chiamato orizzonte degli eventi: all'interno di quel confine, la velocità necessaria per sfuggire supera la velocità della luce, quindi nulla che lo attraversi può tornare indietro.

Come si forma un buco nero

La rotta più ben compresa è il collasso stellare. Secondo la NASA, una stella con una massa superiore a circa 20 volte quella del Sole alla fine esaurisce il carburante nucleare nel suo nucleo e collassa sotto la sua stessa gravità. Quel collasso innesca un'esplosione di supernova che soffia via gli strati esterni della stella. Se quello che rimane del nucleo schiacciato supera ancora circa tre masse solari, la NASA afferma che nessuna forza conosciuta può impedire al collasso di continuare fino a un buco nero.

Una volta formato, un buco nero può crescere attirando il gas circostante, strappando materiale da una stella compagna o fondendosi con un altro buco nero, come spiega la NASA sulla sua pagina di panoramica dei buchi neri.

I buchi neri supermassicci, trovati nei centri delle galassie e che vanno da circa 100.000 a miliardi di masse solari secondo la NASA, sono meno ben compresi. La NASA nota che la loro origine è ancora una questione aperta, poiché sembrano essere esistiti dalle fasi iniziali della formazione galattica.

Orizzonte degli eventi, singolarità e le parti di un buco nero

La descrizione della 'anatomia' del buco nero della NASA elenca diverse zone distinte. Al centro si trova la singolarità, un punto dove la materia è schiacciata a quella che la NASA descrive come densità infinita; gli scienziati non sono certi se si tratti di una struttura fisica o di un artefatto matematico delle equazioni. Circondandola c'è l'orizzonte degli eventi, il confine senza scampo. Più lontano, la luce dalla materia in caduta può orbitare intorno al buco nero più volte prima di sfuggire, producendo anelli sottili visibili intorno all''ombra' scura del buco nero nelle immagini dirette – una regione che la NASA chiama sfera fotonica.

La materia che cade verso un buco nero in genere forma un disco di accrescimento caldo e luminoso prima di attraversare l'orizzonte degli eventi. In molti sistemi, parte di quel materiale viene invece reindirizzato in getti di particelle che si muovono quasi alla velocità della luce; nei buchi neri supermassicci questi getti possono estendersi per centinaia di migliaia di anni luce, dice la NASA.

Provare che i buchi neri esistono: Penrose, Genzel e Ghez

Per decenni i buchi neri erano una conseguenza matematica della relatività generale di Einstein piuttosto che una realtà fisica confermata. L'Accademia reale svedese delle scienze ha assegnato la metà del premio Nobel per la fisica 2020 a Roger Penrose, la cui prova del 1965 – descritta nel comunicato dell'Accademia stessa, riportato da ScienceDaily – ha mostrato che la formazione di buchi neri è una previsione robusta e inevitabile della relatività generale una volta che un corpo sufficientemente massiccio e compatto collassa, e che tale collasso produce necessariamente una singolarità.

L'altra metà del premio è andata congiuntamente a Reinhard Genzel e Andrea Ghez, che hanno guidato team separati che tracciavano le orbite delle stelle al centro della Via Lattea per decenni usando alcuni dei più grandi telescopi del mondo. Il loro lavoro, inoltre riassunto nell'annuncio del Nobel coperto da ScienceDaily, ha trovato un oggetto invisibile di circa quattro milioni di masse solari concentrato in una regione non più grande del sistema solare – forte evidenza per il buco nero supermassiccio ora noto come Sagittarius A*.

Rilevamento dell'inosservabile: onde gravitazionali e immagini dirette

Il 14 settembre 2015, i rivelatori gemelli Advanced LIGO hanno registrato un segnale, designato GW150914, corrispondente alla forma d'onda prevista di due buchi neri che spiraleggiano insieme e si fondono. Secondo il riepilogo scientifico della LIGO Scientific Collaboration, i due buchi neri avevano masse di circa 36 e 29 volte il Sole, fondendosi in un singolo buco nero di circa 62 masse solari più di un miliardo di anni luce di distanza; circa tre masse solari sono state convertite in energia di onde gravitazionali in una frazione di secondo. La rilevazione aveva una significatività statistica di più di 5 sigma, il che significa che un falso allarme di quella forza sarebbe atteso approssimativamente una volta ogni 200.000 anni di dati comparabili, riferisce LIGO.

Quattro anni dopo, la Collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha rilasciato la prima immagine dell'ombra di un buco nero, scattata di M87*, il buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87. Come spiega il Jet Propulsion Laboratory della NASA, l'EHT collega i radiotelescopi in tutto il mondo in un singolo strumento virtuale utilizzando l'interferometria a linea di base molto lunga, ottenendo una risoluzione circa 4.000 volte più nitida del Telescopio Spaziale Hubble. La campagna osservativa di aprile 2017 dietro l'immagine, rilasciata nel 2019, ha misurato M87* a circa 6,5 miliardi di masse solari, situato a circa 53 milioni di anni luce di distanza.

Il 12 maggio 2022, la Collaborazione EHT ha rilasciato una seconda immagine fondamentale: Sagittarius A*, il buco nero centrale della Via Lattea. Come descritto da AAS Nova, i dati sottostanti sono stati registrati in aprile 2017, il che significa che più di cinque anni sono trascorsi tra l'osservazione e il rilascio dell'immagine. Sagittarius A* è circa quattro milioni di masse solari e 27.000 anni luce di distanza – il che significa che appare circa le stesse dimensioni apparenti nel cielo del molto più massiccio e distante M87*, poiché M87* è circa 2.000 volte più lontano e circa 1.500 volte più massiccio. Le dimensioni misurate dell'anello e dell'ombra di entrambi i buchi neri corrispondevano alle previsioni della relatività generale, secondo AAS Nova, dando agli astronomi una conferma indipendente della teoria di Einstein su masse di buchi neri molto diverse.

Perché questo è importante per la fisica

Ognuno di questi risultati testa la relatività generale in un regime che Einstein non poteva osservare direttamente: materia e spaziotempo sotto gravità estrema. Il segnale di onda gravitazionale da GW150914 corrispondeva alla forma d'onda prevista dalla relatività generale per un'ispezione, una fusione e il successivo 'ringdown' del buco nero risultante, secondo l'analisi di LIGO. I diametri degli anelli misurati dall'EHT per entrambi M87* e Sagittarius A* corrispondevano allo stesso modo alle previsioni della relatività generale, secondo AAS Nova, dando agli scienziati due metodi di conferma indipendenti – onde gravitazionali e imaging diretto – che convergono sullo stesso framework teorico.