I buchi neri si formano principalmente quando il nucleo di una stella massiccia crolla dopo una supernova, o quando i primi istanti dell'universo hanno lasciato tasche di materia ultra-densa. La NASA e l'ESA descrivono quattro classi — stellari, intermedie, supermassicce e primordiali — definite principalmente dalla massa. La loro caratteristica distintiva è un orizzonte degli eventi: un confine oltre il quale nemmeno la luce può sfuggire.
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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 attraversa un confine chiamato orizzonte degli eventi, secondo la NASA. Questa proprietà singola — una superficie a senso unico nello spazio — è ciò che rende questi oggetti, piuttosto che la loro dimensione visibile, gli ambienti più estremi conosciuti nella fisica.
Come si forma un buco nero
Il percorso più compreso è il collasso stellare. La NASA spiega che le stelle con più di circa 20 volte la massa del Sole alla fine esauriscono il loro carburante nucleare; il nucleo quindi crolla verso l'interno mentre gli strati esterni vengono soffiati via in un'esplosione di supernova. Se il nucleo schiacciato che rimane contiene ancora più di circa tre masse solari, la NASA afferma che nessuna forza conosciuta può impedire a quel nucleo di crollare in un buco nero.
L'ESA descrive lo stesso meccanismo: una volta che un nucleo stellare al di sopra di quella soglia di massa viene compresso in un volume abbastanza piccolo, la sua stessa gravità sopraffà ogni altra forza fisica, e l'oggetto continua a restringersi finché la luce non può più lasciarlo. I buchi neri possono continuare a crescere successivamente tirando dentro il gas circostante, un processo chiamato accrescimento, secondo la NASA. L'ESA nota che l'accrescimento da solo fatica a spiegare come alcuni buchi neri supermassicci siano cresciuti così grandi così presto nella storia dell'universo, il che è uno dei motivi per cui gli scienziati studiano i buchi neri di massa intermedia come possibile anello mancante.
Un'idea separata e meno risolta riguarda i momenti più antichi dell'universo. Alcune teorie propongono che i buchi neri primordiali potrebbero essersi formati direttamente dalle condizioni estreme poco dopo il Big Bang, senza alcuna stella coinvolta. L'ESA dice che la sua missione Euclid potrebbe aiutare a testare se tali oggetti esistono e se potrebbero rappresentare parte della materia oscura dell'universo.
Quattro classi, definite dalla massa
La NASA e l'ESA raggruppano i buchi neri in categorie basate principalmente su quanta massa contengono, poiché la massa determina dimensione, forza di gravità e percorso di formazione.
Classi di buchi neri per massa (NASA, ESA)
Classe
Massa tipica (masse solari)
Come si pensa che si formi
Di massa stellare
circa 3 a diversi decine
Collasso del nucleo di una stella massiccia dopo una supernova
Di massa intermedia
circa 100 a 10.000+
Sospettato in alcuni casi ma raramente confermato direttamente, secondo la NASA
Supermassicco
100.000 a miliardi
L'origine non è completamente compresa; si pensa che cresca insieme alle loro galassie ospiti, secondo la NASA e l'ESA
Primordiale (ipotetico)
intervallo ampio e non confermato
Ipotizzato di risalire all'universo primordiale; è in fase di studio dalla missione Euclid dell'ESA come possibile candidato per la materia oscura, secondo l'ESA
Cosa li rende estremi
L'orizzonte degli eventi è la caratteristica che distingue i buchi neri. La NASA lo descrive come il punto in cui la velocità di fuga necessaria per lasciare l'oggetto supera la velocità della luce, quindi nulla — inclusa la luce stessa — può tornare indietro. Poiché nessuna luce sfugge, i buchi neri stessi non emettono luce; ciò che gli astronomi rilevano è il bagliore della materia appena al di fuori di questo confine.
Quel bagliore proviene dal disco di accrescimento, materiale attratto dalle stelle vicine o dalle nuvole di gas che spirale verso l'interno e si riscalda mentre si avvicina all'orizzonte degli eventi, secondo la descrizione di NASA dell'anatomia del buco nero. Attorno ai buchi neri supermassicci che si nutrono attivamente, questa regione — chiamata corona — raggiunge temperature di circa un miliardo di gradi e produce raggi X ad alta energia, con particelle che si muovono a velocità che si avvicinano alla velocità della luce.
Al centro stesso, la relatività generale predice una singolarità, un punto in cui la materia è compressa a densità infinita, secondo la NASA. È descritta come la destinazione finale per qualsiasi cosa cada oltre l'orizzonte degli eventi, sebbene i fisici notino che è qui che le teorie attuali della gravità si rompono piuttosto che fornire una descrizione completamente testata di ciò che effettivamente accade lì.
Vedere un buco nero direttamente
Poiché i buchi neri non emettono luce propria, gli astronomi non possono fotografarli direttamente — essi immagino l'ombra che un buco nero proietta sul gas luminoso intorno ad esso. L'Event Horizon Telescope (EHT), una rete globale di osservatori radio collegati attraverso una tecnica chiamata interferometria a base molto lunga, ha prodotto la prima immagine di questo tipo del buco nero supermassicco M87* nel 2019 e di Sagittarius A*, il buco nero centrale della Via Lattea, nel 2022, secondo l'Osservatorio Australe Europeo (ESO), un partner nella collaborazione EHT.
L'ESO afferma che Sagittarius A* ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del Sole e si trova a circa 27.000 anni luce dalla Terra, eppure dal nostro punto di vista l'ESO lo descrive come non più grande di quanto una ciambella sembrerebbe se fosse posta sulla superficie della Luna. La NASA riferisce separatamente che M87*, immagino dall'EHT nel 2019, contiene più di 6 miliardi di masse solari, con un orizzonte degli eventi che la NASA dice si estenderebbe ben oltre i pianeti del sistema solare.
La prima prova visiva diretta del buco nero al centro della Via Lattea.
— Event Horizon Telescope Collaboration, tramite ESO
L'ESO nota che tali immagini consentono agli scienziati di sondare direttamente il comportamento dello spaziotempo al confine di un buco nero, un modo per testare la relatività generale nelle condizioni gravitazionali più estreme disponibili per l'osservazione.
Domande
Qual è la massa minima necessaria per la formazione di un buco nero da una stella?
Secondo la NASA, se un nucleo stellare in collasso mantiene più di circa tre volte la massa del Sole dopo una supernova, nessuna forza conosciuta può impedirgli di crollare in un buco nero.
Possiamo effettivamente vedere un buco nero?
Non direttamente, poiché nessuna luce sfugge da un buco nero. I telescopi invece immagino il gas luminoso e l'ombra scura proiettata su di esso, come ha fatto l'Event Horizon Telescope per M87* nel 2019 e Sagittarius A* nel 2022, secondo l'ESO.
Quanti tipi di buchi neri ci sono?
La NASA e l'ESA descrivono quattro classi in base alla massa: massa stellare, massa intermedia, supermassicca e i buchi neri primordiali ipotetici ritenuti di risalire all'universo primordiale.
Quanto è massiccia la buco nero al centro della Via Lattea?
L'ESO riferisce che Sagittarius A* ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del Sole e si trova a circa 27.000 anni luce dalla Terra.
Cosa c'è al centro di un buco nero?
La relatività generale predice una singolarità, un punto di densità infinita, secondo la NASA, sebbene questo sia dove le teorie fisiche attuali non sono completamente testate.
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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.
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