I mostri dello spazio

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Per capire cosa sono veramente i buchi neri occorre fare un passo indietro di un paio di secoli, perché il primo che ne predisse l'esistenza fu il matematico e fisico francese Pierre Simon de Laplace (1749-1827), più noto per i contributi da lui dati allo sviluppo dell'analisi matematica. Il suo ragionamento per inferire l' esistenza di corpi celesti da cui nulla può sfuggire fu in sostanza il seguente. Se un razzo non possiede una velocità sufficiente, non ce la farà mai a sottrarsi all'attrazione gravitazionale della madre Terra per viaggiare nello spazio, e ricadrà al suolo. La minima velocità necessaria per lasciare il campo di attrazione gravitazionale di un pianeta è detta  VELOCITA' DI FUGA. Tale velocità deve attribuire al razzo un'energia cinetica tale da controbilanciare l'energia potenziale del campo gravitazionale nel quale esso si trova, ragion per cui il suo valore è facilmente ricavabile dalla semplice equazione:

G M m / R = m v_f² / 2

In essa  M è la massa del pianeta, R il suo raggio, m la massa del veicolo spaziale e vf la velocità di fuga. Da qui ricavo:

v_f = (2 G M / R)½            (1)

Proviamo per esempio a sostituire i dati della Terra:

v_f = (2 * 6,67 * 10^-11 Nm²Kg^-2 * 6 * 10²⁴ Kg / 6,36 * 10⁶ m)½ = 11,2 Km s^-1

Per abbandonare il nostro pianeta bisogna quindi superare gli undici chilometri al secondo. E' una velocità piuttosto alta, che ci spiega perché la conquista degli spazi non è avvenuta  ne' tramite un pallone aerostatico, come suggeriva Edgar Allan Poe ne "L'incomparabile avventura di un certo Hans Pfaal" (1835),  ne' tramite un proiettile sparato da un formidabile cannone, come proponeva Jules Verne in "Dalla Terra alla Luna" (1865), ma tramite razzi a combustibile liquido, come intuirono per primi i fisici Kostantin Ziolkovski ed Hermann Oberth.

Tornando a noi, proviamo a rifare lo stesso calcolo di prima per il Sole, la cui massa è 333.000 volte quella terrestre, ed il cui raggio è 101 volte maggiore di quello del nostro pianeta:

v_f = (2 * 6,67 * 10^-11 Nm²Kg^-2 * 1,9 * 10³⁰ Kg / 6,0 * 10⁸ m)½ = 638,2 Km s^-1

Come si vede, al crescere della massa la velocità di fuga cresce rapidamente; però cresce anche, a massa costante, al diminuire del raggio. Ciò vuol dire che, più un corpo celeste è DENSO, più veloci bisogna andare per sfuggire al suo campo di gravità.

Allora, se io immagino un astro di raggio piccolissimo e di massa grandissima, la velocità di fuga può raggiungere quella della luce (circa 300.000 Km s-1). In questo caso, neppure  la  radiazione elettromagnetica riesce a sfuggire alla gravità di quel corpo celeste! Esso si "chiude", per così dire, in sé stesso, come una stella autistica, diventando completamente invisibile, cosicché noi possiamo immaginarcelo solo come un grande BUCO NEL CIELO. Un buco che, per l'appunto, risulterà completamente NERO.

A questa ipotesi, arditamente avanzata da Laplace, molti contemporanei obiettarono il fatto che la luce non ha massa, e quindi non è soggetta all'azione dei campi gravitazionali. Tuttavia la teoria  della  relatività ristretta, formulata nel 1905  da Albert Einstein (1879-1955), sostenne per la prima volta l'equivalenza tra la MASSA e l'ENERGIA (secondo la ben nota equazione E = m c²); perciò, se la luce è priva di massa inerziale, possiede comunque una "massa dinamica" dovuta all'energia da essa trasportata. Negli stessi anni, inoltre, lo sviluppo della meccanica quantistica portò i fisici a ritenere che la luce, fino ad allora pensata solo come un'onda elettromagnetica, in certe circostanze si può comportare anche come una particella materiale. Nulla più vietava di postulare il fatto che la luce può "cadere" in campo gravitazionale come i corpi materiali. Nella sua teoria della  relatività generale, pubblicata nel 1916, lo stesso Einstein arrivò a calcolare  di quale angolo viene deflessa la luce delle stelle in prossimità del disco solare. Tutto ciò confermava le straordinarie intuizioni di Laplace, anche se gli scienziati continuarono a lungo a sostenere che in natura non possono esistere stelle nere, per motivi che discuteremo più innanzi.

Si faccia però bene attenzione a non confondere  il  concetto  di buco nero con quello di corpo nero. Come ci dice la termodinamica, quest'ultimo è un oggetto che assorbe tutta la radiazione che riceve, ma che ne emette a sua volta di propria, secondo uno spettro caratteristico. Un buco nero (se esiste) si comporta assai peggio, perché non emette energia radiante, ne' può riflettere quella ricevuta, ed anche ogni corpo materiale che cade su di esso viene irrimediabilmente risucchiato, senza alcuna speranza di potergli sfuggire, perché per farlo dovrebbe andare più veloce della luce, mentre il principio di relatività ristretta ci assicura che nulla nell'universo può farlo; nemmeno Superman, a dispetto di quanto egli stesso asserisce in continuazione!

Fig.1  Centaurus A, una delle realtà più misteriose del nostro universo,
candidata secondo molti scienziati ad ospitare al suo interno un buco nero.