26/06/17

Come si forma un buco nero **

Per una trattazione approfondita dei buchi neri e dell'evoluzione stellare, si rimanda alle relative sezioni dell'archivio, nelle quali questo articolo è stato inserito (Buchi Neri - Stelle)

 

Abbiamo appena fatto un bel viaggetto verso un buco nero stellare, fermandoci all’orizzonte degli eventi. Prima di proseguire il viaggio, almeno virtualmente, facciamo il punto sulla formazione dei buchi neri stellari. Sono concetti ben conosciuti da molti, ma vorrei dare alcune nozioni in modo estremamente semplice, utilizzando una figura molto esplicativa, che mi sono accorto di non avere mai presentato… Insomma, un buco nero per tutti!

Un buco nero non è altro che ciò che resta di una stella di grande massa, esplosa come supernova. Potremmo limitarci a questa definizione…

Ma torniamo un attimo indietro… Tutte le stelle nascono, vivono e “muoiono” (e tale percorso lo possiamo rappresentare con il diagramma HR). Più che morire, potremmo dire che si trasformano, ossia cambiano completamente la loro struttura, conservando, comunque, con gran parte della massa originaria.

Vediamo i casi più tipici.

Le stelle molto piccole (nane rosse) spesso e volentieri rimangono tali e quali per molte decine di miliardi di anni e si trasformano lentamente in stelle fredde e compatte senza dar luogo a fenomeni eclatanti. Una vita lunga, passata a mangiare il proprio idrogeno, trasformandolo in elio, e poi un sonno quasi eterno di un oggetto che contiene quasi soltanto elio, ma che non è capace di produrre energia attraverso la fusione nucleare. In altre parole, la Rosetta del nostro libro: Rosetta e le tre sorelle.

Le stelle un po’ più grandi, come il Sole, si agitano quando non riescono più a cibarsi di idrogeno e sono capaci di innescare la fusione dell’elio. In questo periodo relativamente breve diventano giganti rosse (a bassa temperatura), ma dopo aver trasformato l’elio in carbonio non riescono ad andare oltre e lanciano gli strati più esterni verso lo spazio (stadio di nebulosa planetaria), mentre ciò che resta della parte più interna della stella si contrae sempre più, aumentando la densità fino a che gli elettroni si ribellano a questo “schiacciamento”, dovuto alla gravità, e formano una specie di scudo che blocca il collasso. Siamo di fronte alle nane bianche… stelle assolutamente non dormienti, dato che se si trovano in coppia possono benissimo aumentare di nuovo la loro massa, a spese della compagna (come questa nana bianca che succhia materiale ad una generosa nana bruna), e dar luogo all’esplosione che vedremo tra poco. Non fidiamoci, quindi, troppo, del sonno delle nane bianche: ne sanno una più del diavolo.

Le stelle ancora più grandi vivono molto poco, ma sono in grado, a causa dell’elevatissima temperatura raggiunta nel loro nucleo più interno, di trasformare l’idrogeno, l’elio, il carbonio, l’ossigeno, il silicio e via dicendo fino a formare un nucleo di ferro al loro centro. Di più non possono fare, dato che per fondere il ferro ci vorrebbe energia da fuori e ciò è impossibile. A questo punto esplodono come supernova. La massa che rimane nel nucleo, e non viene lanciata nello spazio, si trova davanti a un bivio: se raggiunge circa una volta e mezzo la massa del Sole si trasforma in stella di neutroni. E’ quello che può succedere a una nana bianca accoppiata, come si diceva prima.

La massa è tale che gli elettroni non riescono più a bilanciare la forza di gravità e la stella collassa ancora di più fino a mettere a contatto protoni ed elettroni e creare un numero incredibile di neutroni. Nel contempo entra in ballo uno dei principi base della Meccanica Quantistica (principio di Pauli). Fatto sta che si crea un nuovo scudo che si oppone alla gravità. La stella occupa un volume molto piccolo, con una massa superiore a quella del Sole. Tuttavia, resta ancora una stella abbastanza normale (si fa per dire) e un’astronave con un motore potentissimo potrebbe ancora scappare dalla sua superficie.

Diversa è, invece, la situazione di una stella che dopo la fase di supernova superi ancora le 3-3.5 masse solari. Nemmeno i neutroni riescono a fermare il collasso e la stella continua a contrarsi fino all’infinito (teoricamente, almeno), diventando una singolarità (ossia, nessun tipo di fisica odierna riesce a descriverla). Siamo di fronte a un buco nero stellare.

Nana Bianca, Stella di Neutroni e… Buco Nero, tre fasi della trasformazione di una stella, dipendente soltanto dalla massa del nucleo che è rimasto dopo l’espulsione più o meno violenta degli strati più esterni. Niente di veramente complicato e misterioso… se non fosse per una sfera molto particolare che esiste per tutte le stelle (ma non solo) e che non si vede assolutamente: l’orizzonte degli eventi.

Esso è contenuto all’interno di qualsiasi stella “normale”, gigante o nana che sia, ma rimane un qualcosa di puramente teorico. Possiamo definirlo in modo abbastanza semplice. Se la massa della stella fosse contenuta all’interno dell’orizzonte degli eventi, quest’ultimo sarebbe il luogo da cui nemmeno la luce potrebbe scappare e anch’essa sarebbe costretta a sprofondare verso la singolarità. In poche parole, l’orizzonte degli eventi è di fatto un luogo che non si può vedere, dato che non può emettere luce. Tutto ciò che rimane al suo interno deve apparire nero… da cui il nome “buco nero”.

La storia di un buco nero è quindi una storia di contrazione di massa, fino a che questa non si schiacci a tal punto da essere contenuta all’interno dell’orizzonte degli eventi. In altre parole, un buco nero non è altro che una stella contenuta all’interno del suo orizzonte degli eventi.

Ribadiamo che l’orizzonte degli eventi è un qualcosa che dipende solo e soltanto dalla massa della stella e può quindi essere sia interno alla stella  (stella normale, nana bianca, stella di neutroni) sia, nei casi limite, esterno a ciò che rimane della stella (buco nero). L’importante è soltanto la concentrazione della massa, ossia la densità.

Inseriamo un paio di figure semplicissime che ci aiutino a capire ancora meglio la faccenda. In Fig. 1 abbiamo una stella normale, come il Sole o anche molto più grande.

Figura 1
Figura 1

Essa sta vivendo la sua vita normale e il suo ipotetico orizzonte degli eventi è situato all’interno e indicato da RS (Raggio di Schwarzschild, ossia il raggio dell’Orizzonte degli Eventi). La semplice figura ci dice che se la stella si contraesse all’interno di quel cerchio il cui raggio é RS, diventerebbe un buco nero.

Il Sole non potrebbe mai farlo, perché per poterci riuscire dovrebbe avere, appena nata, una massa almeno otto volte superiore. Nel caso una stella ci riuscisse, avremmo la Fig. 2, dove la stella è interna a RS. Nemmeno la luce può uscire dalla stella che sta precipitando verso la singolarità. Dopo RS tutto apparirebbe NERO.

Figura 2
Figura 2

Vale la pena dire che il concetto: “Nemmeno la luce potrebbe scappare” non è completamente corretto… sarebbe molto meglio dire che lo spaziotempo ha curvatura infinita. Ma per chi legge questo articolo può bastare la definizione precedente…

Vediamo di rappresentare quanto detto con il diagramma di Fig. 3, in cui nel piano (x,y) disegniamo una stella che sia almeno otto volte più massiccia del Sole. La disegniamo come un cerchio e non come una sfera, dato che abbiamo bisogno della terza coordinata per inserire il tempo. Lo spazio è, quindi, ridotto a due dimensioni. Il tempo scorre verso l’alto.

Figura 3
Figura 3

Si parte dal basso con la stella S che contiene ancora il suo orizzonte degli eventi OE e ha iniziato a contrarsi. Dopo un certo tempo, la contrazione la porta nella situazione del cerchio giallo (SN). La stella (o ciò che resta) è diventata una stella di neutroni, estremamente densa e schiacciata, ma contiene ancora al suo interno l’orizzonte. Al tempo t3, la stella coincide esattamente con l’orizzonte degli eventi: è diventata un buco nero. L’orizzonte rimane sempre quello che è (la massa è sempre la stessa), mentre la stella continua a contrarsi fino a diventare il punto singolare. Tutto ciò che succede dopo t3, però, ci è negato alla vista!

Trovo questa figura perfetta per capire la formazione di una stella degenere e soprattutto la formazione di un buco nero che, fondamentalmente, non ha niente di veramente misterioso.

Notiamo ancora che, quando una stella diventa più piccola dell’orizzonte degli eventi, il vero buco nero è lei che continua a contrarsi. Generalmente, però, si chiama buco nero tutto ciò che è contenuto dentro l’orizzonte degli eventi, dato che appare completamente nero. L’importante è capirsi…

Chi è interessato a una descrizione degli oggetti e dei fenomeni dell’Universo semplificata in questo modo, può "rivolgersi" ai due libri: “Rosetta e le tre sorelle” (più semplice) e “L’Infinito Teatro del Cosmo” (leggermente più difficile, ma molto poco…).

NEWS del 10/4/2019 - Ottenuta la prima prova visiva diretta di un buco nero!

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