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Nobel per la Fisica 2020: finalmente ‘vediamo’ i buchi neri. E dire che Einstein non ci credeva
Nobel per la Fisica 2020 a Roger Penrose, University of Oxford, Uk “per avere scoperto che la formazione dei buchi neri è una robusta previsione della teoria generale della relatività”; a Reinhard Genzel, Max Planck Institute per la Fisica spaziale, Garching, Germania e University of California, Berkeley, Usa, insieme ad Andrea Ghez, University of California, Los Angeles, Usa “per la scoperta di un oggetto compatto super-massiccio al centro della nostra galassia”. Procediamo con ordine.
Atto primo: definizione di buco nero
Un buco nero è un oggetto astronomico con un’attrazione gravitazionale così forte che niente, nemmeno la luce, può sfuggirgli. La “superficie” di un buco nero, chiamata orizzonte degli eventi, definisce il confine oltre il quale la velocità necessaria per sfuggire al campo gravitazionale supera la velocità della luce, che è il limite di velocità del cosmo. Superato tale confine materia e radiazioni cadono e rimangano intrappolate nel buco.
Un buco nero non è vuoto. Al contrario è l’oggetto cosmico che ha in assoluto la massa maggiore di qualsiasi altro oggetto. L’enormità della sua massa causa la deformazione del tessuto spazio-temporale che lo genera. Immaginate di avere una pellicola trasparente di elasticità e resistenza infinita. Fate in modo che sia bella tesa su un telaio. Ad esempio quello che si usa per i lavori di ricamo. Mettete al centro di questa superficie una sfera piccolissima, ma con massa pari a un chilo. La superficie si deforma generando una concavità. Se aumentate la massa, si approfondisce la concavità che assume una forma a imbuto. Quando la massa è infinita ci si ritrova con un imbuto di lunghezza infinita. L’estremità dell’imbuto si riduce a un punto infinitesimale chiamato “singolarità“.
Il bordo esterno dell’imbuto, per intenderci dove il diametro è massimo, è la linea di confine fra quanto può cadere nell’imbuto e quanto invece può sfiorarlo continuando per la sua strada: l’orizzonte degli eventi. Se lo si supera nulla può scappare dall’imbuto. Nemmeno la luce. No luce, allora buio. Nero. Buco nero per l’appunto. Ci sono tre classi di buchi neri. Buchi neri di massa stellare da tre a decine di volte quella del Sole. Oppure mostri super-massicci che pesano da 100mila a miliardi di masse solari che si trovano al centro della maggior parte delle grandi galassie, compresa la nostra. Buchi neri di massa intermedia, con un peso compreso tra 100 e più di 10mila masse solari.
Il concetto di buco nero è un mosaico che ha richiesto decenni per essere completato. Le prime tessere sono del 1915, quando Albert Einstein pubblicò la teoria generale della relatività. In essa si afferma che la gravità sorge quando massa ed energia deformano il tessuto dello spazio e del tempo, facendo curvare le traiettorie degli oggetti in caduta libera. Vedi l’orbita ellittica della Terra attorno al Sole. Un anno dopo, il fisico tedesco Karl Schwarzschild elabora la forma geometrica del “buco” creata nello spazio-tempo da una massa puntiforme infinita, l’imbuto di cui sopra, prevedendo l’esistenza di una regione, posta attorno all’oggetto cosmico così generato, da cui la luce può ancora fuoriuscire, che chiama “orizzonte degli eventi”.
Nel 1939 i fisici J. Robert Oppenheimer e George Volkoff calcolano che una stella di neutroni diventata troppo massiccia collasserebbe sotto il proprio peso fino a un punto infinitesimale, generando un campo gravitazionale ultra-intenso. Non dimostrarono che la stella implosa forma un orizzonte degli eventi. Era concepibile che la materia potesse in qualche modo roteare via, o che il campo gravitazionale della stella morta potesse non essere permanente.
Bisogna aspettare il 1965 per la dimostrazione elaborata da Penrose, con estremo rigore matematico, che la relatività generale implica che questo oggetto super-massiccio (battezzato “buco nero” nel 1967 da John Wheeler, fisico statunitense) sia inevitabile, reale, stabile, indistruttibile, in crescita continua e che nel loro cuore nascondono una singolarità dove tutte le leggi conosciute della natura cessano. Tempo e materia non esistono più. C’è altro, ma non sappiamo cosa.
Viene così posta la base teorica (il Nobel 2020 premia tacitamente anche Stephen Hawking, morto nel 2018, con cui Penrose ha collaborato. In effetti, le previsioni chiave di Penrose sono inquadrate nei cosiddetti teoremi di Hawking-Penrose) che consente di dire: “Questi oggetti esistono, se andiamo a cercarli, li troviamo”. Infatti quelli di massa stellare e intermedi sono stati trovati. Gli astronomi hanno visto stelle in orbita attorno a compagni invisibili, hanno fotografato i gas surriscaldati mentre scomparivano nei buchi neri. Hanno registrato le onde gravitazionali generati dalla loro fusione. I giganti galattici rimanevano nascosti.