L'universo e' un buco nero?

.

Gli astronomi hanno osservato buchi neri di diverse taglie: quelli di massa compresa fra 5 e 15 masse solari hanno origine, come visto, da stelle morenti. Ma gli astronomi hanno osservato anche superbuchi neri di massa incredibilmente maggiore, e come si è visto nel capitolo 9 Stephen Hawking ha previsto anche buchi neri lillipuziani, di massa assai modesta.

Questo ci introduce all'ultimo argomento di cui discuteremo in questo ipertesto. Se esistono microbuchi neri (ma in realtà buchi bianchi) con una massa di molti ordini  di  grandezza inferiore a quella del Sole, o superbuchi neri pesanti come un'intera galassia, essi non possono essersi formati in conseguenza del collasso gravitazionale, in quanto la massa dei primi è ampiamente inferiore al limite di Chandrasekhar, e quella dei secondi è troppo elevata per dar vita a stelle, per quanto ipergiganti essi siano. Ma consideriamo un momento il primo caso: siccome stelle di massa così modesta potrebbero facilmente resistere all'azione della loro gravità anche dopo aver "finito la benzina", buchi neri tanto leggeri possono essersi formati solo in seguito allo schiacciamento forzato di materia ordinaria da parte di pressioni esterne estremamente elevate. John A. Wheeler, lo stesso che coniò  il  termine "buco nero", calcolò una volta che, se un folle dittatore del futuro estraesse l'idrogeno contenuto in tutti gli oceani della terra e lo usasse per fabbricare un'unica, spaventosa bomba H, l'esplosione di questa potrebbe comprimere la materia al suo centro in misura tale da creare un buco nero!  Fatti i debiti  scongiuri, un'ipotesi più realistica è quella che i buchi neri nani si siano formati nelle condizioni di temperatura e di pressione elevatissime verificatesi nelle primissime fasi  della  vita  dell'universo, poche frazioni di secondo dopo il big bang. Si parla in questo caso di "buchi neri primordiali". Se tale ipotesi fosse corretta, il cosmo pullulerebbe di buchetti neri più piccoli di  atomi  ma  più pesanti di asteroidi, che costituirebbero gran parte  della "materia oscura" universale; alcuni di essi potrebbero trovarsi anche all'interno del sistema solare, orbitando alla chetichella intorno al Sole, a un tiro di schioppo da noi. Secondo alcuni, il terribile disastro che nel 1908 rase al suolo la regione di Tunguska, nella Siberia orientale, fu dovuto proprio ad un buco nero primordiale che attraversò la terra da un capo all'altro!

C'è però un problema. Come detto nel capitolo precedente, i buchi neri irraggiano radiazione, e quelli più piccoli sono estremamente più attivi (e per questo più facilmente osservabili) di quelli più grossi. Se l'universo è zeppo di questi buchi bianchi come un cane lo è di pulci, si dovrebbe osservare un intenso fondo di radiazione gamma, che in effetti esiste, ma molto meno marcato di quanto richiederebbe la teoria ora descritta. E' molto probabile che questo fondo abbia origini diverse dai buchi neri primordiali, sulla cui presenza nello spazio non esistono a tutt'oggi prove sicure, ma esso ci dice comunque che, se essi esistono, la loro densità non può superare le 300 unità per anno luce cubico, e che quindi essi non rappresentano che un milionesimo della massa totale presente nell' universo. La famosa "materia oscura" dovrà perciò trovare necessariamente degli altri portavoce.

Procedendo ora nella direzione contraria, nel corso della nostra esplorazione ai confini dell'universo scopriremo che vi sono anche corpi celesti indiziati di appartenere alla malefica stirpe dei buchi neri, ben più pesanti anche delle stelle più massicce. Si parla in tal caso di "buchi neri supermassivi".

Il caso più eclatante è quello delle cosiddette RADIOGALASSIE. Si  tratta di ammassi stellari che emettono verso di noi  un'intensissima radiazione hertziana. Il perchè è a tutt'oggi un mistero. Molte di esse irraggiano anche nella banda X, e al radiotelescopio si presentano con lunghe "code" o "baffi" non osservabili con telescopi ottici. La più famosa radiogalassia è quella che fu inserita  negli  atlanti  stellari con le sigle NGC 4486 o M 87, posta nella costellazione della Vergine a circa 52 milioni di anni  luce dalla Terra. Essa presenta un immenso getto di materia ed energia che fuoriesce dal suo nucleo centrale, lungo più di seimila anni luce, e tanto marcato ed impetuoso da risultare visibile persino otticamente (vedi figura 21). L'ipotesi più credibile suggerisce  che nel nucleo di M 87 sia in corso un'immane esplosione che interessa l'intera colonia stellare. Nel 1992 il telescopio spaziale Hubble, pur ancora imperfettamente funzionante, ha inviato sulla Terra dei dati che sembrano confermare l'ipotesi da alcuni già timidamente avanzata che al centro del nucleo galattico sia situato un immenso buco nero, la cui massa è stata stimata da Karl Gebhardt,  professore dell'Università del Texas, in qualcosa come 6,6 miliardi di masse solari! Questo valore è stato calcolato misurando la velocità con cui le stelle che lo circondano orbitano attorno a esso, che in media è risultata di circa 500 chilometri al secondo (il nostro Sole orbita attorno alla nostra galassia a "soli" 220 chilometri al secondo!). L'orizzonte degli eventi di questo colosso avrebbe un raggio di oltre 20 miliardi di chilometri, quattro volte superiore a quello dell'orbita di Nettuno. Trovandosi a 50 milioni di anni luce dalla Terra, M87 è la più grande galassia dell'universo vicino, e si ritiene che si sia formata in seguito alla fusione di un centinaio di galassie più piccole: anche il suo buco nero centrale potrebbe essersi formato grazie alla fusione di diversi buchi neri. Proprio per la sua relativa vicinanza e per le sue eccezionali dimensioni gli astronomi ritengono che il buco nero di M87 sia il candidato ideale per diventare il primo buco nero ad essere "visto" da un telescopio, dato che finora non esiste una prova osservativa diretta di alcun buco nero, attraverso una rete di diversi telescopi sparsi per il mondo. Una cosa comunque è certa: un mostro di questo genere non può certamente avere un'origine stellare, come  quello  che sarebbe invece all'opera dentro Cygnus X-1.

Fig. 21   Immagine ripresa dal telescopio spaziale Hubble della galassia M 87, scoperta nel 1918. Si osserva chiaramente il terrificante getto di plasma indirizzato verso di noi. Si tratta del primo buco nero supermassivo mai osservato nel cuore di una galassia.

.

Come siano nati quest i super buchi neri, è uno dei grandi enigmi sul quale gli astrofisici si arrovellano da anni. Ora una risposta convincente è riuscita a ottenerla un gruppo di scienziati guidato da Lucio Mayer dell’Istituto di fisica teorica dell’Università di Zurigo. Egli ha utilizzato de i supercomputer per simulare i complicatissimi processi che avvengono fra gigantesche masse di materia governate da imponenti forze gravitazionali. Grazie ad essi, Mayer ha verificato che i buchi neri più giganteschi possono essere scaturiti da un evento disastroso come la collisione e la fusione tra due galassie primordiali, avvenuta quando l’universo era giovanissimo e aveva solo poche centinaia di milioni di anni di età. La grande nube di gas derivata dallo scontro, con massa equivalente a milioni di volte quella del nostro sole, se concentrata in una piccola regione di spazio può innescare un rapido processo di trasformazione arrivando, forse direttamente, grazie all’imponente forza di gravità, alla nascita del superbuco nero, saltando i passaggi intermedi della formazione stellare. E in poco tempo un buco nero iniziale di poche centinaia di milioni di masse solari può crescere, accumulando materia e conquistandosi  una taglia di miliardi di masse solari. L'uno per cento della massa della galassia sarebbe allora concentrata in questo incredibile buco nero centrale, che in qualche misura  ricorda l'Angband descritto da Tolkien nel "Signore degli Anelli"; le stelle più vicine al centro dell'ammasso galattico precipiterebbero in esso, emettendo in un sol colpo tutta la propria energia gravitazionale, e giustificando l'impressionante emissione radiativa da parte di galassie come M 87. Secondo i modelli finora concepiti, galassie e i superbuchi neri si sviluppavano in parallelo; Mayer ha dimostrato invece che questi giganteschi mostri dell’universo sono capaci di crescere molto più velocemente delle isole stellari in cui sono incastonati, e regolare essi stessi l’evoluzione della galassia.

La cosa, già di per sé degna di un romanzo di Stephen King quando avviene a 52 milioni di anni luce da noi, fa ancor più scalpore se si pensa che anche nel nucleo della nostra galassia è attiva una fortissima sorgente di radioonde, nota come Sagittarius A.  In una sfera del raggio di un parsec (3,26 anni luce) è contenuta una massa enorme, 4 milioni di volte superiore a quella solare, tanto che, se tale regione di spazio fosse affollata di stelle di sequenza principale come il Sole, esse sarebbero l'una dall'altra alla distanza che separa i pianeti del sistema solare. Ciò lascia pensare che anche al centro della via Lattea esista un buco nero supermassivo, per quanto sconvolgente possa risultare una notizia del genere! L'impressionante vortice di plasma gassoso, localizzato nel nucleo galattico e visibile nella fotografia riportata in questa pagina, distrugge in ogni secondo quantità immani di materia, riemettendola sotto forma di energia radiante. Se davvero nelle viscere di tutte le galassie è all'opera un simile insaziabile divoratore di stelle, ciò potrebbe spiegare perché la maggior parte della materia luminosa in esse presente appare concentrata nel loro nucleo interno.

Lo stesso incredibile fenomeno potrebbe essere alla base della spaventosa emissività dei QUASAR, altri oggetti piuttosto "anomali" del cielo, perché - pur trovandosi a distanza da noi superiore ad un miliardo di anni luce (10²² chilometri!) - appaiono brillanti come stelle della nostra galassia. L'esempio più bello è costituito dall'oggetto noto come 3C 273, presso la testa della costellazione della Vergine. Ci appare come una stellina di  magnitudine 12,8  ma, distando da noi tre miliardi di anni luce, se fosse una stella comune dovrebbe apparire di trentesima magnitudine, cioè cento milioni di volte più fioca! L'unica spiegazione per questo fatto è che 3C 273 emetta più energia di un'intera galassia (è per questo che è chiamato quasar, da "quasi star", e cioè "quasi stella"!), e le reazioni termonucleari da noi descritte nei capitoli 6 e 7 non sono certo sufficienti per rendere ragione della sua natura superluminosa. Potrebbe renderne ragione, tuttavia, una  repentina liberazione di energia gravitazionale, come quella che avrebbe luogo se il quasar nel suo cuore celasse un buco nero. La disintegrazione delle stelle da esso inghiottite libererebbe la loro intera energia gravitazionale sotto forma di un flash luminoso, più potente di qualunque esplosione all'idrogeno.

Fig. 22  Se osservato ai raggi gamma, mediante satelliti posti fuori dell'atmosfera terrestre, il quasar 3C279 è uno degli oggetti più luminosi di tutto il cielo!

.

Vale la pena di citare anche un nuovo tipo di mostro celeste, inseguito da tempo dagli astrofisici, che finalmente nel 2010 sono riusciti a catturarlo in una remota galassia distante dalla Terra 300 milioni di anni luce. L'oggetto in questione è un buco nero mai visto finora, caratterizzato da una dimensione media rispetto a quella dei superbuchi neri posizionati nel cuore delle isole stellari, dei quali abbiamo appena parlato. I calcoli dei teorici avevano predetto l'esistenza di questa nuova stranezza celeste, e la scoperta conferma i loro calcoli. L’impresa è riuscita a Klaas Wiersema dell’Università di Leicester, utilizzando il Very Large Telescope dell’Eso, in Cile, il quale ha raccolto immagini della più luminosa sorgente di raggi X dell'universo, battezzata HLX-1. Il getto di raggi X è situato accanto a una sorgente luminosa nel visibile, la quale si ritiene associata all’emissione della potente radiazione. Nel futuro si scruterà in dettaglio questa sorgente per definire meglio il risultato, costruendo un preciso identikit del nuovo e atteso appartenente alla famiglia dei « buchi nel cielo ». La loro indagine è ritenuta preziosa perché aiuta a comprendere l’evoluzione delle galassie, dal momento che, come si è visto, sono in grado di influenzarla pesantemente.

E non è tutto. Osserviamo la foto sottostante, ottenuta da esperti della NASA sovrapponendo due immagini della galassia massiccia 3C 75, lontana da noi 300 milioni di anni luce, che si è rivelata essere una potentissima sorgente radio: le parti colorate in blu sono state registrate nello spettro dei raggi X, quelle colorate in rosa nello spettro delle onde radio. Si pensa che nel bel mezzo di questa galassia due buchi neri supermassicci stiano ruotando l'uno attorno all'altro, circondati da nubi di gas a milioni e milioni di gradi responsabili dell'emissione di raggi X, e tutti impegnati ad espellere getti di particelle subatomiche a velocità relativistiche; i due colossali buchi neri sarebbero separati tra di loro da una distanza di almeno 25.000 anni luce. Mediante le osservazioni del Chandra X-Ray Observatory, gli astrofisici hanno concluso che questi due buchi neri supermassicci sono tenuti insieme dalla forza di gravità in un sistema binario, e molto probabilmente il loro aspetto è dovuto al loro movimento attraverso le nubi di gas caldo alla bellezza di 1200 chilometri al secondo. Si pensa che queste spettacolari coppie di buchi neri in rotazione reciproca possano essere comuni negli affollati ammassi di galassie dell'universo lontano.

Fig. 23  Due buchi neri in rapidissima rotazione l'uno intorno all'altro?

.

E quando i due buchi neri rotanti un giorno arrivassero a precipitare l'uno sull'altro e quindi a fondersi, che cosa accadrebbe? Come già accennato nel capitolo 4,, la fusione di due corpi compatti di un sistema binario (stelle di neutroni o buchi neri) provocherebbe un colossale rilascio di onde gravitazionali. Il potenziale gravitazionale fluttuerebbe in modo incredibile, come la superficie del mare in cui precipiti una montagna, e la struttura stessa dello spazio-tempo verrebbe violentemente squassata e attraversata da increspature inimmaginabili. La fusione di due stelle di neutroni durerebbe presumibilmente una frazione di secondo, tempo durante il quale si innescherebbe un rilascio di neutrini come in una supernova, e forse anche un flash di raggi gamma. Se invece di due stelle di neutroni fossero due buchi neri a cadere l'uno sull'altro, secondo le equazioni di Einstein anche i loro orizzonti si fonderebbero in uno solo più grande, e il sistema binario originale diventerebbe un singolo buco nero, emettendo una quantità enorme di energia sotto forma di onde gravitazionali. Un team di fisici della Stanford University ha sviluppato una simulazione al computer di questa collisione fra mostri dello spazio: il risultato delle simulazioni è che l’esito dello scontro dipende fortemente dalla quantità di gas caldo che si trova intorno ad ogni buco nero. Quando cominciano ad interagire tra loro, infatti, i gas esercitano una forza di frizione sui buchi neri, rallentando il loro movimento rotatorio. Una volta che la distanza tra i buchi neri è diventata paragonabile all’ampiezza del nostro Sistema Solare, i buchi neri cominciano ad emettere onde gravitazionali, che portano via una grossa quantità di energia dal sistema, così grande da poter essere registrate dai nostri strumenti.

Ciò che nessuno finora immaginava è il ruolo che potrebbero aver giocato questi buchi neri supermassicci nella distribuzione degli elementi pesanti nell’universo: sempre secondo le simulazioni, proprio i venti stellari originati nei dintorni dei buchi neri giganti posti nella parte centrale delle galassie, distribuirebbero elementi chiave per la vita, come carbonio ed ossigeno, nelle vaste zone di spazio tra le diverse galassie!

C'è poi da riferire una scoperta notevole, effettuata nel novembre 2010 da Fabrizio Brighenti, Annibale D’Ercole e Massimo Gaspari, ricercatori dell’Università di Bologna, secondo i quali i buchi neri sarebbero in grado di bloccare la nascita delle stelle. Essi infatti hanno studiato i grandi ammassi di galassie lontane, ed hanno dimostrato che, oltre a divorare tutta la materia del loro circondario, i mostri celesti nascosti al loro interno lanciano potenti flussi di radiazioni e di gas roventi ad altissima velocità. Questi getti si diffondono tra gli ammassi per milioni di anni luce, riscaldando l’ambiente circostante e impedendo la formazione di nuove stelle, perché la materia rimane allo stato gassoso. Il tutto è stato verificato mediante complesse simulazioni ottenute con i supercomputer del centro Cineca di Bologna, e la ricerca continua con i computer ancora più potenti del centro Nasa nei pressi di Mountain View, in California.

Due buchi neri individuati nel 2011, i più massicci mai osservati, con masse pari a 10 miliardi di volte quella del Sole, potrebbero rappresentare l'"anello mancante" nel nostro modello dell'evoluzione del cosmo: i primi resti noti dei più brillanti quasar presenti nell'universo un solo miliardo di anni dopo il Big Bang. Questa scoperta porta ad ipotizzare che esista una differenza nel modo in cui i buchi neri supermassicci raggiungono le loro dimensioni rispetto ai loro "cugini" più piccoli. Questi giganteschi oggetti si formarono in una fase precoce della storia dell'universo, inghiottendo gas e stelle nel nucleo delle galassie in formazione. Chung-Pei Ma, cosmologo dell'Università della California a Berkeley e i suoi colleghi, sono arrivati a "vedere" i due "mostri" misurando le velocità delle stelle in rapido movimento in prossimità dei centri di grandi galassie. Poiché le velocità delle stelle sono correlate alla massa dei corpi intorno a cui orbitano, è possibile “pesare”in modo indiretto il buco nero supermassiccio che si trova al centro di altre galassie.  Il gruppo ha ristretto le osservazioni a galassie sia di grandi dimensioni sia compresse in ammassi. In teoria, i buchi neri supermassicci potrebbero crescere fino a raggiungere dimensioni enormi consumando gas e stelle fornite da altre galassie presenti nelle vicinanze.

« Questi ammassi di galassie possono essere considerati dei siti archeologici, in cui la storia antica ha lasciato tracce che ora noi possiamo scoprire e interpretare », ha commentato Avi Loeb dell'Harvard University di Cambridge, nel Massachusetts. Utilizzando gli strumenti montati sui telescopi Keck II e Gemini North sul monte Mauna Kea alle isole Hawaii, gli astronomi hanno trovato che una galassia dell'ammasso denominata NGC 3842 ospita un buco nero con una massa equivalente a 9,7 miliardi di masse solari. Un'altra galassia, NGC 4889, che si trova al centro di un altro ammasso, ha un buco nero con una massa stimata di circa 20 miliardi di masse solari, sebbene possa superare i 37 miliardi. (il buco nero al centro della galassia M87 ha una massa di "soli" 6,7 miliardi di masse solari). Sia NGC 3842 sia NGC 4889 sono distanti da noi poco più di 300 milioni di anni luce, sono cioè relativamente vicine in termini astronomici. Nonostante ciò, puntare al moto di queste stelle al centro di ciascuna galassia richiede osservazioni ad alta risoluzione che non erano possibili sono pochi anni fa. Karl Gebhardt, ricercatore dell'Università del Texas a Austin, nota come le masse dei buchi neri appena scoperti non seguono alcuna correlazione tra la massa del rigonfiamento centrale delle stelle in una galassia e la massa del buco nero centrale. I buchi neri appena scoperti, infine, sono più grandi di quanto ci si aspettasse, il che potrebbe indicare che questi giganti del cosmo si sono evoluti in modo differente, forse guadagnando ciò che avevano perso quando le galassie che li ospitavano si sono fuse con altre. Ciò a sua volta potrebbe fornire nuovi indizi su come si formano le galassie e i buchi neri.

Gli osservatori avevano precedentemente teorizzato l'esistenza di questi buchi neri massicci in galassie distanti, osservate come apparivano a 1,2-3,3 miliardi di anni dopo il Big Bang. Queste galassie contenevano brillanti quasar; i quasar si spensero molto tempo fa, ma i buchi neri giganti rimangono, avendo perso solo una parte trascurabile della loro massa durante l'evoluzione di miliardi di anni per diventare parte dell'universo attuale. Con questa nuova corrispondenza tra buchi neri supermassicci nell'universo primordiale e in quello attuale possiamo comprendere meglio in che modo i quasar influenzarono l'evoluzione delle galassie che li ospitavano, e in che modo queste ultime nutrirono la crescita di buchi neri di quasar.

Vorrei chiudere questa interessante discussione segnalando una proprietà notevole dei buchi neri supermassivi: quanto maggiore è la loro massa, tanto minore può essere la loro densità quando si formano. Ciò significa che è meno difficile generare un buco  nero di dimensioni galattiche che uno di dimensioni stellari o, peggio, di dimensioni terrestri (buchi neri primordiali a parte). Ad esempio, la densità di un buco nero generato dal collasso di una massa 100.000 volte maggiore di quella del Sole può non essere superiore a quella dell'acqua. Un oggetto di massa ancor maggiore potrà collassare già ad una densità assai minore. Continuando ad estrapolare, si scopre (non senza sorpresa!) che la densità  richiesta  per formare un buco nero di massa pari a quella del nostro universo sarà pressappoco uguale alla... densità media dell'universo osservabile!  Quindi, anche l'intero nostro universo potrebbe risultare tutto un... titanico buco nero!