Come si formano i buchi neri, cosa sono e cosa rivelano sull'universo

Un buco nero è definito dalla NASA come una regione dello spazio in cui la gravità è abbastanza forte da impedire a qualsiasi cosa, inclusa la luce, di sfuggire una volta che passa un confine chiamato orizzonte degli eventi. Poiché nessuna luce sfugge, i buchi neri stessi non possono essere visti direttamente; la loro presenza è dedotta dai loro effetti gravitazionali sulla materia vicina e, dal 2019, dalle immagini dirette del materiale luminoso intorno a loro.

Come si forma un buco nero

Secondo la NASA, una stella genera energia attraverso la fusione nucleare nel suo nucleo, e la pressione esterna da quella energia bilancia il tiro gravitazionale interno della stella. Quando una stella con più di 20 volte la massa del Sole esaurisce il suo combustibile nucleare, quell'equilibrio si interrompe. Il nucleo collassa sotto il suo stesso peso, innescando un'esplosione di supernova che soffia via gli strati esterni della stella. Se il nucleo rimanente supera circa tre masse solari, la NASA afferma che continua a collassare in un buco nero di massa stellare.

Non ogni stella che collassa produce un buco nero. Un nucleo al di sotto di circa tre masse solari tipicamente diventa invece una stella di neutroni, secondo la descrizione della NASA dell'evoluzione stellare. Una volta che esiste un buco nero, può crescere ulteriormente attirando gas, polvere e persino altre stelle o buchi neri che si avvicinano troppo.

I tre tipi principali

La NASA raggruppa i buchi neri in tre ampie categorie per massa. I buchi neri di massa stellare, che vanno da circa tre a diversi dozzine di masse solari, sono sparsi in tutta la Via Lattea e si formano da stelle massicce che collassano. I buchi neri di massa intermedia, con approssimativamente 100 a più di 10.000 masse solari, sono più rari e difficili da confermare; la NASA cita uno degli esempi più convincenti identificati nel 2019. I buchi neri supermassicce, contenenti da 100.000 a miliardi di masse solari, si trovano nei centri della maggior parte delle grandi galassie, inclusa la Via Lattea.

Vedere l'invisibile: immagini dirette

Poiché la luce non può sfuggire da un buco nero, gli astronomi non possono fotografare l'oggetto stesso. Invece, l'Event Horizon Telescope (EHT) — una rete globale di radiotelescopi che agisce come un unico strumento delle dimensioni della Terra, secondo la National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti — crea immagini del gas incandescente che turbina intorno a un buco nero appena al di fuori del suo orizzonte degli eventi. Il 10 aprile 2019, la Collaborazione EHT ha rilasciato la prima tale immagine, del buco nero supermassicce al centro della galassia M87, situato a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra e misurato a circa 6,5 miliardi di masse solari, secondo il riassunto della NSF.

Il 12 maggio 2022, la Collaborazione EHT ha rilasciato una seconda immagine, questa volta di Sagittarius A*, il buco nero supermassicce al centro della nostra stessa Via Lattea. La NSF lo descrive come la prima evidenza visiva diretta di quell'oggetto, con una massa che la NSF fornisce come approssimativamente 4 milioni di volte la massa del Sole. Un riassunto dei risultati su cosmoquest.org allo stesso modo colloca la sua massa a circa quattro milioni di masse solari e la sua distanza a circa 27.000 anni luce dalla Terra. Entrambe le immagini mostrano la stessa firma: un'ombra centrale scura circondata da luce luminosa e lensata dal gas orbitale surriscaldato.

Increspature nello spaziotempo: onde gravitazionali

Una linea separata di prove proviene dalle onde gravitazionali — increspature nello spaziotempo previste dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein nel 1915. Il 14 settembre 2015, i due rivelatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, hanno registrato un segnale designato GW150914, secondo un riassunto scientifico del LIGO. Il segnale proveniva dalla fusione di due buchi neri con masse di circa 36 e 29 volte la massa del Sole, che si sono combinati in un singolo buco nero di circa 62 masse solari. Le tre masse solari mancanti sono state irradiate come energia di onde gravitazionali, afferma il LIGO, da un evento a più di un miliardo di anni luce di distanza.

Il LIGO riferisce che la rilevazione ha raggiunto una significatività statistica di più di cinque sigma, il che significa che un falso allarme di quella forza sarebbe previsto solo circa una volta in circa 200.000 anni di dati comparabili. La forma d'onda osservata corrispondeva alle previsioni della relatività generale, dando ai fisici un nuovo modo per studiare i buchi neri che non si affida completamente alla luce.

Cosa rivelano i buchi neri sull'universo

La descrizione della NASA dell'anatomia dei buchi neri identifica tre zone chiave: l'orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno in cui la velocità di fuga supera la velocità della luce; il disco di accrescimento, la materia a spirale la cui radiazione consente agli astronomi di rilevare buchi neri altrimenti invisibili; e la singolarità al centro, dove la materia è compressa a una densità estrema e la fisica attuale, inclusa la relatività generale, dovrebbe rompersi. La NASA nota che è qui che gli effetti quantistici sono pensati per diventare importanti, il che significa che i buchi neri segnano la frontiera dove la relatività e la meccanica quantistica devono alla fine incontrarsi.

Poiché piegano la luce, distorcono il tempo e ancorano la struttura delle galassie, i buchi neri funzionano come laboratori naturali. Le osservazioni da imaging diretto e da rivelatori di onde gravitazionali danno agli scienziati due modi indipendenti per testare se la gravità si comporta come la teoria di Einstein prevede sotto le condizioni più estreme conosciute nell'universo.