Ritratto di un buco nero

Nel numero di febbraio 2010 di "Le Scienze" è stato pubblicato un articolo molto affascinante riguardante i buchi neri. Nell'articolo viene descritta, in particolare, la strategia degli scienziati per osservare e studiare questi misteriosi oggetti. Così vi riassumo questo interessante articolo rispondendo alla richiesta di Elena Franceschini della classe 3a B, che affascinata dallo studio del capitolo sull'Universo, vuole saperne di più.
Oltre che in classe l'argomento dei buchi neri è già stato sfiorato da un approfondimento che trovate nella sezione delle notizie scientifiche (Buchi neri ed orizzonte degli eventi). Quello che sappiamo è che il buco nero è un oggetto celeste con massa così elevata e concentrata da esercitare una forza gravitazionale talmente consistente da non permettere neanche alla luce di sfuggire una volta superato l'orizzonte degli eventi. L'orizzonte degli eventi è il confine di un buco nero o più precisamente il limite oltre il quale neanche con una velocità di fuga pari a quella della luce si può sfuggire alla forza di attrazione gravitazionale del buco nero.
Su scala astronomica i buchi neri sono oggetti "piccoli". Vengono divisi in due categorie generali: i buchi neri di massa stellare, stelle morte con massa compresa tra 5 e 15 volte quella del sole e buchi neri supermassicci ("supermassive black hole"...proprio come la canzone dei Muse!) che si trovano in genere al centro delle galassie formando voragini colossali in cui milioni se non miliardi di stelle si sono ammassate e che pesano da milioni a 10 miliardi di volte il Sole. Al centro della nostra galassia è stato identificato un probabile buco nero supermassiccio battezzato Sagittarius A.

Immagine del centro della nostra galassia dove si nasconde il buco nero Sagittarius A con massa circa 4,5 milioni di volte quella del Sole (http://www.spacetoday.org/images/Chandra/SagittariusA_Chandra.jpg).

Per quanto immensi possano sembrare servono strumenti molto sensibili per poter rilevare la presenza di un buco nero. Infatti, l'orizzonte degli eventi di un buco nero stellare avrebbe un diametro di 90 km e quello di un mostro da un miliardo di masse solari sarebbe minore dell'orbita di Nettuno. Per avere un'idea, cercare di vedere l'orizzonte degli eventi del buco nero a noi più vicino con il più moderno telescopio sarebbe equivalente a voler vedere un seme di papavero a Los Angeles da New York! Inoltre, le piccole dimensioni e la massa elevatissima determinano forze gravitazionali così grandi tali da far sì che la materia circostante completi un'orbita intorno al buco nero stesso in meno di un microsecondo. Non è certo facile osservare fenomeni così rapidi. Quindi come fanno gli scienziati a studiare ed osservare i buchi neri?
I buchi neri sono alimentati dal materiale che vi cade dentro e che emette una quantità di energia e calore molto superiore a quella emessa dalla reazione di fusione nucleare che avviene nel cuore delle stelle. Pur se niente sfugge dall'orizzonte degli eventi, le radiazioni provenienti dai gas che ruotano vorticosamente intorno al buco nero, ma all'esterno dell'orizzonte degli eventi, rendono queste regioni tra le zone più luminose dell'Universo (guarda l'immagine di Sagittarius A...per rendertene conto). In vicinanza dell'orizzonte degli eventi, in una zona detta disco di accrescimento, gli atomi, sempre a causa della forte gravità, emettono fluorescenze particolari che possono essere "viste" e "riconosciute" da potenti telescopi. Infine, le forze che agiscono nelle vicinanze di un buco nero supermassiccio causano l'emissione di materiale a velocità ultrarelativistiche (fino al 99,98 per cento della velocità della luce). Pensate, questi getti attraversano distanze maggiori delle dimensioni delle galassie.

Un lancio di materiali a velocità ultrarelativistiche dalla zona vicina al buco nero supermassiccio presente nella galassia M87 (http://www.star.le.ac.uk/~sav2/blackholes/quasars/m87_vla.jpg).

Nell'immagine sopra riportata il buco nero supermassiccio che si trova nella galassia M87 è circondato da lobi di gas estesi per 15.000 anni luce ed emette un getto di materiale a velocità ultrarelativistica proprio nella nostra direzione...fortunatamente siamo sufficientemente distanti! Nell'immagine riportata qui sotto, la galassia Centaurus A mostra un getto lungo 13.000 anni luce, emesso anche questo dal suo presunto buco nero supermassiccio.

Un lancio di materiali a velocità ultrarelativistiche dalla galassia Centaurus
(http://chandra.harvard.edu/photo/2008/cena/cena_comp.jpg).

Ma gli scienziati vogliono "vedere" i buchi neri "più da vicino" e non si accontentano di osservarne gli effetti sulla materia circostante. Come arrivare, allora, a "vedere" l'orizzonte degli eventi? Ebbene grazie a recentissimi progressi tecnologici, la creazione di un'immagine diretta dell'orizzonte di un buco nero è imminente. Il buco nero che, per così dire, verrà "fotografato" è proprio il "nostro" Sagittarius A che si trova ad appena 24.000 anni luce dalla Terra. Abbiamo detto che per vedere un buco nero, anche se supermassiccio, serve uno strumento molto molto sensibile. Mediante una tecnica complicata, che si chiama interferometria a lunghissima base, i segnali rilevati da una schiera di telescopi sparsi per il mondo vengono combinati in modo tale da ottenere un'"osservazione" pari a quella che potrebbe essere effettuata con un'antenna radio delle dimensioni della Terra!!! Nella foto sottostante potete osservare una delle varie schiere di telescopi che verranno usati per "vedere" l'orizzonte degli eventi di Sagittarius A...e allora dobbiamo avere solo un po' di pazienza in attesa che gli scienziati puntino la loro rete di telescopi verso il mostro!

Il Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), posizionato a Cedar Flat, in California
(http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/images/CARMA.jpg).

Referenze
Avery E. Broderick e Abraham Loeb (2010) Ritratto di un buco nero. Le Scienze, 498: 40-47.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)