foto di un buco nero per l'articolo di Federica Di Comite nella rubrica Scienza e Tecnologia

Il termine Buco Nero è utilizzato in astrofisica per identificare una regione di spazio con un campo gravitazionale così intenso, da cui nulla, nemmeno la luce riesce a fuggire. Questo fenomeno fisico era stato teorizzato quasi un secolo fa nella teoria generale della relatività di Albert Einstein. La gravità può essere intesa come una deformazione del tessuto spazio-temporale, piegato da qualsiasi corpo dotato di massa (Figura 1.). Come detto prima, i buchi neri sono oggetti dotati di una massa molto ma molto elevata e piegano il tessuto gravitazionale in modo così intenso da creare un punto chiamato singolarità gravitazionale(teorizzato), in cui la curvatura dello spazio-tempo tende ad un valore infinito. Karl Schwartzschild (astrofisico tedesco) fu uno dei primi a parte Einstein a teorizzare la presenza di oggetti così massicci da curvare lo spazio e rallentare lo scorrere del tempo.

Questi corpi così misteriosi sono caratterizzati dall’orizzonte degli eventi, regione che ne delimita i confini osservabili.

Rappresentazione dell'influenza della gravità sullo spazio-tempo
Figura 1.

Il 10 aprile del 2019, dopo anni di studi e di analisi, ecco che viene diffusa la prima immagine destinata a segnare una svolta nella storia dell’astronomia. E’ così che siamo riusciti finalmente a dare un volto alla relatività di Einstein. Il progetto Event Horizon Telescope (Hht), che ha visto coinvolti una sessantina di istituti scientifici di tutto il mondo, tra cui anche l’Istituto Nazionale di Astrofisica, ha dato vita a questa spettacolare immagine (Figura 2.) che ritrare il buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87, a circa 16 megaparsecs (55 milioni di anni luce).

Un esperimento importante come prima prova di questa teoria fu l’eclissi di Sole del 29 maggio 1919. Albert Einstein notò che le stelle dietro il sole si trovavano in una posizione differente rispetto a quella prevista, perché la loro luce era stata curvata dal campo gravitazionale del Sole.

Il film Interstellar, diretto da Christopher Nolan nel 2014, offre una buona interpretazione dei concetti dei buchi neri e dei warm hole. Ricordiamo infatti che il fisico teorico Kip Thorne (premio Nobel 2017) ha contribuito all’accuratezza scientifica, lavorando sulle equazioni e assicurandosi che le leggi della fisica non fossero violate.

Immagine di un buco nero

La foto è il risultato di dati usati ed elaborati (milioni di gigabyte) in due istituti di calcolo: il MIT di Boston e il Max Planck institut di Bonn. Nell’immagine è possibile osservare “l’ombra” del buco nero. L’anello rossastro, chiamato disco di accrescimento raffigura la materia al suo interno, che riscaldandosi emette luce visibile grazie ai radiotelescopi. La differenza dei colori (dal giallo al rossastro) dipende principalmente dalla velocità con cui il materiale gassoso orbita nel disco. Più ci si avvicina al buco nero e più è elevata la velocità, mentre all’esterno diminuisce creando questa sfumatura di colore. È importante osservare che un orologio nei pressi di un buco nero procede più lentamente rispetto ad uno più lontano. Questo effetto è chiamato dilatazione temporale.

L’Italia è coinvolta in questo straordinario risultato, infatti partecipa al progetto Europeo Black Hole Cam (Bhc), di cui fanno parte l’Istituto Nazionale di Astrofisica e l’Istituto di radioastronomia di Bologna. Alla ricerca hanno collaborato anche ricercatrici dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

È doveroso nominare Stephen William Hawking (deceduto nel 2018), cosmologo, matematico, fisico teorico e divulgatore scientifico britannico, il quale mostrò che i buchi neri emettono una radiazione termica che corrisponde ad una certa temperatura (temperatura di Hawking). Esistono tre leggi della termodinamica dei buchi neri:

Legge zero: L’orizzonte degli eventi di un buco nero ha una gravità di superficie costante (analoga al principio zero della termodinamica).

Prima legge: nelle perturbazioni di buchi neri stazionari il cambiamento di energia è correlato alla variazione del cambiamento di area, del momento angolare e della carica elettrica:  AωJφQ dove è: l’energia, la gravità superficiale, l’area dell’orizzonte, la velocità angolare, il momento angolare, il potenziale elettrostatico e la carica elettrica)

Seconda legge: l’area dell’orizzonte è una funzione che non decresce nel tempo

dA/dt ≥ 0

Terza legge: Non è possibile formare un buco nero con gravità superficiale in fuga. Cioè, non può essere raggiunto K=0

Per concludere si può dire che questa svolta sensazionale è solo il primo passo verso la comprensione della parte più intima e oscura del cosmo in cui i buchi neri sono i protagonisti di una delle più interessanti questioni che accomuna i fisici e gli astronomi di tutto il mondo: l’equazione che unisce la relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica (la quale si occupa delle altre forze dell’universo), raggiungendo la tanto cercata Teoria del Tutto.

«Remember to look up at the stars and not down at your feet… And however difficult life may seem, there is always something you can do, and succeed at.»

(Stephen Hawking) 

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