Un buco nero, dal manga 2001 nights.

I buchi neri hanno sempre esercitato un notevole fascino per le loro estreme caratteristiche fisiche ed astronomiche.  Questo oggetto – talmente denso che neanche la luce  può fuoriuscirne –   fu per la prima volta postulato nel 1931 dall’ indiano  Subrahmanyan Chandrasekhar  utilizzando le equazioni della Relatività Generale di Einstein.

Qualunque cosa la cui massa è concentrata al di sotto di un certo raggio dà origine ad  un buco nero. Questo raggio – detto anche raggio di  Schwarzschild  o orizzonte degli eventi  dipende dalla massa, ma le dimensioni sono estremamente piccole : nel caso del Sole (che ha 700,000 km di raggio) questo  è poco meno di tre chilometri.

La teoria del geniale astrofisico indiano prevedeva la formazione di un buco nero  (BN) con la morte di una stella.  Quando le reazioni nucleari di un astro terminano perché esso  ha bruciato tutto il suo combustibile, tutto il suo materiale cade verso il centro. Il fato delle stella dipende dalla sua massa: il nostro sole diverrà una nana bianca, stelle sopra il 40% della sua massa delle stelle di neutroni, e sopra tre masse solari forma  un buco nero.   Una volta dentro l’orizzonte degli eventi  non vi è più alcuna speranza di uscirne: tutto viene compresso  sino alla singolarità centrale, infinitamente piccola e  probabilmente puntiforme, con tutti i problemi matematici e fisici che ciò comporta.

L’impossibilità di osservare direttamente un buco nero fece sì che essi rimanessero un’ipotesi per la scienza  sino agli anni ’70 quando furono identificati per la prima volta in sistemi binari.  Questi furono identificati dall’emissione di raggi X e gamma del materiale della stella compagna, accelerato e riscaldato dalla caduta verso il BN. Naturalmente la fantascienza non attese la verifica ufficiale per sfruttare  le potenzialità narrative. Se  la letteratura e soprattutto la filmografia fantascientifica hanno spesso travisato ai fini della trama  le proprietà dei BN, altrettanto di frequente sono riusciti  a cogliere e a trasmettere correttamente le affascinanti particolarità di questi oggetti astrofisici, integrandoli con abilità nelle storie.

 

The Black Hole, film del 1979 di una Disney che all’epoca non disdegnava di trattare temi più adulti, ha attirato l’attenzione del pubblico mainstream nei confronti di questo ‘incubo dello spazio’: se in quel caso il finale del film lasciava perplessi, la novellizzazione di Alan Dean Foster ipotizzava che in qualche modo le menti dell’equipaggio  potessero in qualche modo sopravvivere alla caduta  nel BN e passare in un altro universo. Buchi neri di piccole dimensioni sono stati usati in fantascienza   per creare campi gravitazionali in cui le astronavi possano superare la barriera della luce (purtroppo ci cadrebbero dentro venendo disintegrate) o  come motori di astronavi, come ad esempio, ne  Il mistero della pietra azzurra, in cui l’energia proveniva dalla rotazione di due buchi neri di piccole dimensioni uno intorno all’altro, o per creare degli immensi campi gravitazionali  (purtroppo evaporerebbero in una frazione di secondo distruggendo tutto)

Al centro della nostra Galassia e di molte altre si trova  è un enorme buco nero della massa di almeno 4 milioni di masse solari, prodotto dall’accrescimento e dalla continua caduta di materiale al suo interno. Nella magnifica serie degli Heechee dello scrittore  Frederick Pohl,  l’interno di questo  buco nero è abitato da una razza aliena che si era rifugiata al suo interno, riuscendo in qualche modo a sopravvivere alla invece inevitabile compressione e distruzione di qualunque cosa cade al suo interno. Non è detto che il buco nero si debba  formare solo con materia: forti dell’equivalenza tra massa ed energia, sempre Pohl  utilizza nella stessa serie il Kugelbiltz, un buco nero creato artificialmente da un’enorme concentrazione di energia (ben al di sopra di quello che possiamo o potremo far noi nei prossimi secoli).  Dopo la compressione, comunque il K ed il BN sarebbero indistinguibili in quanto caratterizzati solo da massa, carica e momento angolare: ogni informazione è completamente persa all’interno del BN.

In prossimità di un BN  il tempo scorre più lentamente (o meglio sembra scorrere più lentamente per qualcuno che osserva da lontano). Questo fenomeno è simile alla dilatazione dei tempi della relatività speciale. In quest’ultimo caso l’effetto è dovuto all’elevata velocità dell’astronave, mentre nel BN è innescato dall’elevato campo gravitazionale. Questo fenomeno è osservabile  anche per campi gravitazionali meno intensi: nel caso della Terra vi sono piccole ma non trascurabili correzioni agli orologi dei GPS posti in orbita attorno alla terra, che scorrono appena più veloci dei nostri sulla superficie terrestre.

Joe  Haldeman fa degli effetti relativistici uno dei cardini di “Guerra Eterna”, dove un conflitto interstellare si protrae per millenni che appaiono solo pochi anni per   i suoi protagonisti.

Un buco nero è poi al centro di una delle “notti” del manga 2001 nights. In questo caso  gli effetti relativistici sono la chiave per un (quasi) lieto fine ad una vedova il cui marito era caduto decenni prima in un buco nero.

Nella  serie animata giapponese  Gunbuster un buco nero artificiale  – creato facendo collassare  artificialmente Giove – viene utilizzato come arma definitiva per sconfiggere le armate nemiche.  Anche in questo caso le due protagoniste – vicine all’orizzonte degli eventi – si ritrovano a tornare sulla terra migliaia di anni dopo la loro partenza.

Tornando alla scienza, un recente articolo, ripreso da un lungo editoriale sulla rivista Nature, ripropone e discute le apparenti contraddizioni sulle nostre conoscenze dei BN, contraddizioni che vanno dritto al cuore di alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna, in particolar modo lo scisma ancora aperto tra l’infinitamente microscopico, regolato dalle leggi  meccanica quantistica e l’infinitamente grande della Relatività Generale.

Se si cade in un buco nero si viene distrutti, senza scampo, senza appello e senza finire in universi paralleli.  L’articolo si pone la domanda se si venga 1) squarciati   dalla  forza di marea gravitazionale tra i piedi e la testa, dovuta all’incredibile aumento della gravità  in prossimità del BN oppure se 2) ciò avvenga per un “muro di fuoco” dovuto alla radiazione di Hawking, ossia alla radiazione emessa in prossimità del buco nero. Lo scienziato infatti postulò che alcune particelle possano sfuggire in prossimità  dell’orizzonte degli eventi. Il trucco per scappare a questa perfetta trappola astrofisica risiede nella meccanica quantistica. Questa infatti postula che nel vuoto si possano continuamente formare particelle ‘virtuali’ che si riassorbono immediatamente per annichilazione (o quasi, si veda l’articolo sull’effetto Casimir). Se la coppia di particelle si forma sull’orizzonte degli eventi, una di esse cadrà nel BN mentre l’altra – per simmetria – lo lascerà prima di distruggersi.  Il risultato netto è una evaporazione del buco nero, ossia una riduzione della sua massa. Questa evaporazione è  tanto più rapida quanto più piccola  è la massa del buco nero. Ne consegue che se anche i raggi cosmici o l’acceleratore del Cern creasse un BN questo evaporerebbe istantaneamente senza risucchiare la terra.

Nonostante l’impostazione scherzosa dell’articolo, l’argomento trattato  è di importanza cruciale per la soluzione di uno dei più grandi problemi  della fisica: riconciliare Relatività generale con la Meccanica Quantistica. Le teorie che descrivono i  due pilastri su cui si fonda la fisica moderna e che hanno dato origine a tutte le applicazioni tecnologiche (computer, laser, GPS, satelliti…) sono al momento mutualmente esclusive e non riconciliabili.  Sforzi notevoli Ogni tentativo di sviluppare una teoria più generale che le incorpori entrambe (gravità quantistica, stringhe…) è al momento naufragato miseramente.

In questo contesto i  buchi neri sono gli unici oggetti del nostro universo  dove sia possibile,   tentare di analizzare cosa succede quando Relatività  e Meccanica quantistica  si scontrano.  Come nei migliori – e nei peggiori – libri di fantascienza è in gioco il Destino dell’Universo.

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