La teoria di Einstein deve ancora regalare la sorpresa più grande. Mentre da una parte si cercano soluzioni delle equazioni di Einstein per spiegare l’Universo, dall’altra si lavora su soluzioni semplicissime per prendere dimestichezza con la nuova teoria. Come in cucina, inutile buttarsi sullo stracotto al Barolo se non si sa fare un uovo sodo.
E la domanda più semplice sembra essere: come è lo spazio-tempo attorno ad una massa immobile nel vuoto? Per farla ancora più semplice si fa finta che la massa sia puntiforme, cosa non realistica ma molto utile per semplificare conti già molto complessi e estrapolare le informazioni che si cercano (a patto di non voler poi trarre conclusioni sulla parte che si è approssimato per semplifircarsi la vita, come in molti hanno la tentazione, o la pigrizia, di fare). Questa situazione è in grado di descrivere con grande precisione lo spazio-tempo attorno ad un pianeta o a una stella.
Sarà il tedesco Karl Schwarzschild a trovare la soluzione di questo problema solo apparentemente semplice. Einstein si complimenterà con lui per aver fornito la prima soluzione analitica alle sue equazioni, quando Einstein stesso ammise che sarebbe stato molto difficile trovarne. La cosa ancora più sorprendente è che Schwarzschild studia l’articolo di Einstein nelle retrovie del fronte occidentale, in Belgio, dove era stato mandato con l’inizio della prima guerra mondiale nel 1914. Muore pochi mesi dopo la pubblicazione della sua soluzione, nel 1916, a seguito del trasferimento sul fronte russo.
Ma cosa ci dice la soluzione di Schwarzschild?
A distanze sufficientemente grandi dalla massa si ritrova quello che bisognava trovare: ovvero che Newton ci aveva preso e si può quindi continuare ad usare le gravità newtoniana per descrivere la maggior parte dei fenomeni gravitazionali che ci circondano.
Ma appare qualcosa che nessuno si aspetta.
Analizzando le soluzioni, ad una certa distanza dalla massa compare una superficie oltre la quale niente può scappare, oltre cui ogni cosa rimanendo intrappolata. Anche la luce, che si muove più velocemente di ogni altra cosa, non riesce a vincere la curvatura dello spazio in questa regione, e rimane intrappolata anche lei. Questa superficie che avvolge la massa centrale è detta, un po’ drammaticamente, orizzonte degli eventi.
Siccome niente più sfuggire da questa regione, neppure la luce, questo oggetto dall’esterno appare completamente nero: un buco nero.
I buchi neri hanno scombussolato non poco i fisici, e come spesso accade alle cosa che non si capiscono bene, è cresciuta attorno ad essi un fiorire di frasi ad effetto: che in un buco nero spazio e tempo si scambiano, oppure che oltre l’orizzonte degli eventi cambia la natura dello spazio-tempo. Anche Einstein non si sottrae alla battuta ad effetto: “il buco nero è quando dio divide per zero”, giocando sul fatto che quella superficie appariva con curvatura infinita (presto rivelatasi eliminabile semplicemente scegliendo delle coordinate più adatte). Ciò è tutto formalmente vero, ma non aiuta a comprendere i modo intuitivo cosa accade dentro un buco nero.
Fuori dal buco nero è sempre possibile muoversi in qualunque direzione, o anche stare fermi, mentre oltrepassato l’orizzonte degli eventi si è irresistibilmente attratti verso la massa centrale, un po’ come se si venisse trascinati da una corrente sottostante molto più veloce della propria velocità a “scappare” controcorrente, più veloce anche della velocità della luce. Non si può stare fermi quindi. Ma neppure in un fiume con una grande corrente si può: l’analogia fiume-spazio è molto utile per capire come ciò sia possibile senza usare frasi poco comprensibili.
Inoltre si passa attraverso l’orizzonte senza accorgersene. Non pensiate che sia qualcosa di particolarmente “traumatico”, né che esistano segnaletiche intergalattiche ad indicare quando si supera l’orizzonte. Si viene trascinati molto forte, forse addirittura smembrati, ma non molto più di quanto si era trascinati o smembrati un metro prima. E’ un passaggio in cui l’attrazione verso la massa centrale aumenta in modo graduale.
Se si tenta di comunicare con l’esterno non ci si riesce: mandando un segnale luminoso verso l’esterno questo non riuscirà mai a uscire dal buco nero, ma non c’è modo per rendersene conto da soli. Invece i segnali dall’esterno ci arrivano eccome. Quindi chi sta dentro un buco nero non ha elementi per saperlo con certezza. E’ solo dall’esterno che si accorgono che i nostri segnali non arrivano più e che esiste una porzione di spazio da cui non esce nulla, totalmente buia.
E’ interessante notare come ogni massa ha associato un orizzonte degli eventi, ovvero il volume massimo che dovrebbe avere quella massa per essere classificato come buco nero. Per una massa come il Sole è circa 3 km, per la Terra 9 millimetri. In entrambi i casi ben all’interno del proprio volume, e quindi siamo tranquilli, non sono buchi neri. Lo sarebbero se tutta la loro massa fosse compressa in un volume più piccolo di quel raggio. La densità di materia all’interno di un buco nero è elevatissima.
I buchi neri possono formarsi per collasso gravitazionale di stelle pesanti almeno 3 volte il Sole: finito il combustibile nucleare che le fa bruciare, la massa di cui sono composte comincia a collassare su se stessa e a diventare sempre più densa, senza fermarsi più.
Vi sono anche buchi neri enormi all’interno delle galassie. L’orizzonte degli eventi del buco nero supermassivo situato al centro della nostra Galassia è pari a circa 7,8 milioni di km e ha una massa pari a 2.5 milioni di masse solari.
Si è a lungo discusso circa la loro reale esistenza: chi dice che sono oggetti puramente matematici (non tutte le soluzioni delle equazioni di Einstein sono oggetti reali), chi li cerca forsennatamente: ma cercare un oggetto nero nel buio dell’universo non è semplice. Nel 1962 viene individuato un candidato possibile nella costellazione del Cigno. Si osservano flussi di materia e emissioni potenti di raggi X come se vi fosse una grande massa oscura: comportamenti e masse che si riveleranno associabili soltanto alla presenza di una massa molto grande che non emette luce: un buco nero.
Da allora le osservazioni si sono moltiplicate e non è più messa in dubbio la loro esistenza.
Ed ecco, avete fatto la conoscenza di uno degli oggetti più esotici ed affascinanti della fisica.
Chiedo scusa per la prolissità. I buchi neri sono stati l’oggetto della mia ricerca per oltre 10 anni. Nutro un amore folle verso questi oggetti, e la sintesi va a farsi benedire.
Nei decenni sono state trovate decine di soluzioni di buco nero, che si è rivelato essere un oggetto fisico-matematico estremamente interessante, capace di consensare in sè contraddizioni, paradossi e connessioni vertiginose circa la natura più profonda dello spazio-tempo, e quindi sono l’ambito perfetto per studiarne le fondamenta. Sono probabilmente l’oggetto fisico più filosofico che esiste.
Quando poi il buco nero incontra la meccanica quantistica si scopre che non è neppure davvero nero.
