Come i Buchi Neri Hanno Conquistato l'Universo: Un Viaggio tra Matematica e Realtà

Come vedete, la guerra mi ha trattato con una certa benevolenza, nonostante i pesanti bombardamenti, permettendomi di allontanarmi da tutto e di intraprendere questa passeggiata nella terra delle vostre idee. Einstein fu sorpreso; lui stesso aveva trovato solo soluzioni approssimative e, come scrisse in seguito, non si aspettava che la soluzione esatta del problema potesse essere formulata in modo così semplice. Schwarzschild morì solo un anno dopo, all'età di 42 anni, probabilmente a causa di una malattia. Così, i buchi neri si materializzarono attraverso il linguaggio della matematica. Una soluzione che, nella sua semplicità, consegnò l'invisibile e confermò la sua bellezza.

Inizialmente, questi strani oggetti venivano chiamati stelle oscure o “congelate”; il termine buco nero fu popolarizzato solo successivamente da Wheeler nel 1967. L'orizzonte degli eventi giocò un ruolo fondamentale nella soluzione di Schwarzschild, ma per molto tempo i buchi neri furono considerati essenzialmente una curiosità matematica elegante. L'esistenza effettiva di un buco nero richiede condizioni estreme. Per esempio, affinché una stella come il Sole diventi un buco nero, la sua massa dovrebbe essere compressa in un'area non più grande del centro di Roma. Se invece la sua massa fosse paragonabile a quella della Terra, dovrebbe rimpicciolirsi fino alla dimensione di una mirtillo. Non è facile immaginare un meccanismo fisico capace di innescare una compressione così incredibile di una stella in uno spazio così ridotto. Fino ad allora, si pensava che il destino di ogni stella fosse quello di concludere la propria esistenza come una nana bianca piccola e densa.

Il giovane scienziato Subrahmanyan Chandrasekhar aveva solo 19 anni quando, nel 1930, durante una lunga traversata navale dall'India all'Inghilterra, formulò la teoria di una dinamica più complessa. Tenendo conto degli sviluppi recenti della meccanica quantistica che aiutavano a spiegare il comportamento dei gas formati da elettroni e protoni, il giovane scienziato calcolò che quando una stella ha una massa almeno 1,4 volte quella del nostro Sole—un numero ora noto come il limite di Chandrasekhar—essa può concludere il suo ciclo vitale in vari modi: esplodendo in una supernova, esplodendo e poi collassando in una stella di neutroni, oppure trasformandosi in un buco nero. Ma la sua ipotesi non fu presa sul serio. Commentando l'ipotesi di Chandrasekhar durante un incontro della Royal Astronomical Society nel 1935, Arthur Eddington affermò: “Dovrebbe esserci una legge della natura che impedisca a una stella di comportarsi in questo modo assurdo!”

Chandrasekhar calcolò che quando le stelle molto più grandi del Sole, 10 o 20 volte più massicce, non sono più sostenute dal calore della combustione, esse collassano, schiacciate dal loro stesso peso, fino a piegare lo spazio in modo così drammatico che scompaiono in profondi abissi. Quella che una volta era una grande e splendida stella si trasforma in un buco nero di massa stellare. Un abisso dello spazio-tempo creato dall'inghiottimento e dalla compressione dei detriti stellari in uno spazio molto ristretto. Sembrava un meccanismo incredibilmente complesso. L'idea che i buchi neri fossero oggetti reali fu per molti anni considerata irrazionale. E Einstein era tra i tanti scienziati scettici. Il concetto era troppo radicale, “poco convincente”, come scrisse in un articolo pubblicato sulla rivista Annals of Mathematics. Luoghi nascosti nei quali l'Universo si nasconde e viene annientato.

In un'altra parte del mondo, nel 1939, Eugenio Montale esprimeva quel senso di titubanza sul confine tra luce e oscurità con poche parole: “La vita che luccica / è l'unica che vedi”. Oggi sappiamo che il tessuto stesso del cosmo è punteggiato da questi precipizi, di dimensioni e origini diverse, dentro i quali l'Universo si nasconde. L'effetto della gravità è così intenso che nulla, neanche la luce, può risalire da questi abissi ed evadere. Si pensa che i buchi neri più piccoli abbiano le dimensioni di un atomo ma la massa di un asteroide, oggetti che probabilmente sono presenti nella struttura dello spazio-tempo sin dall'inizio dell'Universo. Poi ci sono i buchi neri di massa stellare, che si formano al prezzo della morte di una stella, ciascuno con una massa decine di volte quella del Sole. Infine, ci sono i cosiddetti buchi neri supermassivi, enormi, con masse che arrivano a decine di miliardi di masse solari. Probabilmente creati insieme alla loro galassia ospite, sono voraci e tendono a “inghiottire” le stelle vicine, crescendo progressivamente. Oggi si crede che praticamente ogni galassia ospiti un buco nero di milioni o miliardi di masse solari.

Anche se il termine “nero” implica oscurità, i buchi neri possono rivelarsi attraverso bordi netti che definiscono il confine di quell'oscurità, segnati da cambiamenti improvvisi di luce, attorno ai quali la materia si infiamma e brilla. Nell'aprile del 2019, arrivò a noi la prima immagine di un buco nero—o meglio, della luce emessa dalla materia che orbita attorno al buco nero al centro della galassia supergigante Virgo A—M87*. Si trattava di un oggetto straordinario, massiccio quanto 6,5 miliardi di soli, situato a 55 milioni di anni luce dalla Terra. Non fu catturato con un vero clic fotografico. Ci vollero due anni del progetto internazionale Event Horizon Telescope (EHT) e la stretta collaborazione di oltre 200 ricercatori a livello mondiale per ottenere questo risultato incredibile. Un'ombra oscura, l'abisso invisibile di un buco nero, dove la luce viene catturata per sempre, circondata da una spettacolare radiazione arancione-rossa emessa dalla materia prima che attraversa il cosiddetto punto di non ritorno. L'immagine appare distorta perché la forza gravitazionale estrema del buco nero curva lo spazio-tempo circostante, piegando il percorso della luce e creando un effetto di lente d'ingrandimento che fa sembrare l'ombra più grande di quanto non sia in realtà.

Non dovemmo aspettare molto per una seconda “fotografia” straordinaria: quella del nostro “mostro” cosmico personale al centro della Via Lattea, Sagittarius A*, a circa 27.000 anni luce dal nostro Sistema Solare. Maggio 2022—che spettacolo! La prima prova diretta della sua esistenza: una magnifica nuova immagine ottenuta dall'EHT che ha catturato il buco nero seduto proprio al centro della Via Lattea. Una massa circa 4 milioni di volte quella del Sole concentrata in un'area con un raggio di circa un decimo della distanza tra il Sole e la Terra. Nonostante questi due buchi neri, i primi a essere fotografati, si trovino in galassie distanti tra loro e abbiano masse molto diverse—M87* è circa 1.600 volte più pesante di Sagittarius A*—le leggi della fisica stabilite dalla relatività generale attorno a questi misteriosi oggetti sembrano funzionare allo stesso modo. Andrea Ghez, che nel 2020 è stata la quarta donna a vincere il Premio Nobel per la Fisica, aveva già confermato con le sue ricerche che i fotoni emessi dalle stelle che orbitano attorno a Sagittarius A* si comportano esattamente come Einstein aveva descritto. Queste emozionanti immagini dall'EHT rendono ancora una volta omaggio a quell'intuizione centenaria.

L'universo è un luogo che si deforma, si curva, vibra, e si fa sentire come le onde di un lago mosso da una brezza leggera. La forza gravitazionale dei buchi neri non solo distorce lo spazio-tempo, ma lo fa vibrare, dimostrando che i misteri dell'universo sono tutt'altro che conclusi.

La scoperta delle onde gravitazionali: Un nuovo senso per osservare l'Universo

Il 14 settembre 2015, per la prima volta, il movimento di un'onda gravitazionale è stato misurato. Un movimento impercettibile, con un'ampiezza mille volte inferiore al diametro di un protone. Un movimento invisibile, ma che ha segnato una scoperta colossale. L'Universo, questa volta, si è rivelato con un brivido. Mentre possiamo "ascoltare" grazie alle onde sonore e "osservare" grazie alle onde elettromagnetiche, le onde gravitazionali aggiungono una percezione potente e finora sconosciuta del mondo. Un nuovo "senso", e con esso, l'opportunità di raccogliere informazioni che erano rimaste inaccessibili fin dall'inizio del tempo.

La sorgente di quella minuscola ondulazione era un evento lontano, avvenuto circa 1,3 miliardi di anni fa. Due enormi buchi neri, uno con 29 masse solari e l'altro con 36, si sono scontrati. Avevano danzato per un po', per poi concludere il loro viaggio con una collisione spettacolare. La fusione dei due buchi neri ha dato vita a un mostro, un buco nero di 62 masse solari. E le 3 masse solari mancanti sono diventate energia, rilasciata nel tessuto dello spazio-tempo in soli 200 millisecondi: una potenza 50 volte superiore a quella emessa dalle onde elettromagnetiche in quel medesimo intervallo di tempo da tutte le stelle di tutte le galassie nell'Universo osservabile. La più potente esplosione mai osservata, seconda solo al Big Bang.

Così ha preso avvio una scia di onde gravitazionali che si è diffusa attraverso il cosmo, indebolendosi gradualmente lungo il cammino. Gli scienziati di LIGO, dopo aver ricevuto e processato il segnale, desideravano ascoltarlo. O meglio, trasformare quelle vibrazioni oscillanti nel suono che identificava la violenta e straordinaria collisione tra i due giganteschi buchi neri. La sorpresa. Qualcosa di inaspettato è emerso. Un magnifico cinguettio. Il termine, come riportato da Stefan Helmreich nel suo articolo “The Cosmic Chirp”, ha avuto origine nei laboratori di ricerca radar negli anni '50, dove gli ingegneri paragonarono un segnale con un improvviso innalzamento e abbassamento di frequenza al cinguettio di un uccello. L’espressione venne poi utilizzata nel 1951 in un memorandum dei Bell Labs intitolato “Not with a Bang, but a Chirp”, parafrasando l'ultima linea di una poesia di T. S. Eliot, "The Hollow Men": "This is the way the world ends / Not with a bang but with a whimper."

La "cattura" dell'onda gravitazionale aveva una rilevanza scientifica ulteriore e molto importante. Era la prima prova diretta che i buchi neri esistessero davvero. Oggi, ci sono tre strumenti destinati a rilevare le onde gravitazionali. Oltre al LIGO, c’è il già citato Virgo e il KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) in Giappone. Ma all'orizzonte ci sono interferometri in orbita. L'installazione del primo, il DECIGO (Deci-hertz Interferometer Gravitational-Wave Observatory), è prevista per il 2027, con il LISA (Laser Interferometer Space Antenna), una collaborazione tra l'ESA e la NASA, che si unirà nel 2037. Rispetto a quelli costruiti sulla Terra, gli interferometri in orbita possono avere bracci molto più lunghi, permettendo di sondare lunghezze d'onda più lunghe e osservare fenomeni che si verificano a livelli di energia più bassi.

Come la gravità, le onde gravitazionali sono presenti in ogni angolo dell'Universo, e nulla può ostacolarle. L'Universo le lascia passare, a differenza della luce che, come abbiamo visto, può essere assorbita dagli ostacoli che incontra. Mentre la luce ci fornisce informazioni sulla sorgente da cui proviene, le onde gravitazionali possono dirci ancora di più. Scivolano quasi indisturbate, allungando e comprimendo gli oggetti che incontrano nel loro cammino, conservando una memoria di questi passaggi. Così, possono raccontarci ciò che hanno incontrato lungo il loro viaggio.

Le informazioni che le onde gravitazionali portano, insieme a quelle che riceviamo tramite la luce, aprono nuove prospettive per comprendere l'Universo. Nasce così un nuovo campo: l'astronomia multi-messaggero. Non importa quanto potente possa essere un telescopio, esiste comunque una sorta di schermo opaco situato circa 380.000 anni dopo il Big Bang che nasconde meraviglie e misteri di epoche precedenti. Infatti, la luce è emersa solo a quel punto. Tuttavia, il Big Bang potrebbe aver rilasciato una scia di oscillazioni, e questa eco, fatta di onde gravitazionali, potrebbe ancora viaggiare dal principio del tempo. Se potessimo ascoltarla, comprenderemmo di più su quel lungo e bellissimo capitolo della storia dell'Universo che è cominciato molto prima dell’emergere dei fotoni.

Dal 2015, gli interferometri LIGO e Virgo hanno rilevato diverse decine di segnali prodotti dalla fusione di buchi neri e stelle di neutroni. Gli esperimenti futuri con gli interferometri di terza generazione, come l'Einstein Telescope e il Cosmic Explorer, ma anche quello della missione spaziale LISA, saranno così sofisticati da offrire sicuramente nuove prospettive. Un numero crescente di finestre attraverso cui osservare e seguire il viaggio di quei piccoli, ipnotici cinguettii, che possono raccontarci storie aggiuntive, persino inaspettate.

L'osservazione della collisione di stelle di neutroni ha anche chiarito i misteri legati alla formazione degli elementi pesanti. La lumaca sul davanzale, la scrivania della nonna, quel fiore nel giardino, l'ape che vi svolazza sopra, una pizza margherita, le farfalle, una roccia nel mare. Siamo tutti fatti della stessa sostanza: atomi. Prodotta nei primi istanti dopo il Big Bang, o nel cuore di una stella, o in una di quelle meravigliose esplosioni che segnano la fine della sua vita. Circa il 10% del nostro corpo è composto da elementi primordiali: dentro di noi abbiamo una memoria dell'inizio del tempo. La maggior parte degli altri elementi, invece, ha avuto origine dalle stelle. La fusione nucleare all'interno delle stelle non è solo responsabile della loro splendida luminosità, ma è anche una fucina in cui viene prodotta una buona parte degli elementi della tavola periodica.

Nel cuore di quella fucina, gli atomi di idrogeno si uniscono agli atomi di elio, che a loro volta si fondono con altri atomi, producendo nuovi e più pesanti elementi della tavola periodica, come il carbonio, l'ossigeno, il calcio e molti altri, fondamentali per la vita umana. Fino al ferro. E poi qualcosa accade. L'energia prodotta all'interno delle stelle diventa insufficiente per creare elementi più pesanti. Eppure ci sono molti elementi chimici più pesanti del ferro nella tavola periodica. Lo zinco che troviamo nei pomodori, il rame nelle pentole della cucina della nonna, l'oro e il platino che brillano nelle vetrine dei gioiellieri. Questi elementi non provengono dal nucleo delle stelle, ma dal destino che le attende quando, esaurito il loro combustibile nucleare, muoiono. Quando le reazioni termonucleari all'interno di una stella cessano, la gravità prevale e la materia collassa. La loro trasformazione in nuovi oggetti celesti dipenderà dalla loro massa. Il nostro Sole, ad esempio, come altre stelle di massa simile, morirà in modo tranquillo. Quando avrà esaurito tutto l'idrogeno, tra circa 4,5 miliardi di anni, vivrà una lunga agonia. Diventerà una gigante rossa e si espanderà abbastanza da inglobare Mercurio e Venere e probabilmente anche il nostro pianeta. Poi, dopo un altro miliardo di anni, collasserà per diventare una nana bianca, piccola (circa le dimensioni della Terra) ed estremamente densa (un cucchiaino di nana bianca pesa diverse tonnellate), fino a diventare quasi invisibile. Le stelle massicce (circa otto volte la massa del Sole) muoiono più velocemente e in modo più drammatico. Dopo varie trasformazioni, il nucleo centrale, sempre più caldo e denso, esplode e finiscono la loro vita come magnifiche supernove. È l'esplosione più bella e violenta