I buchi neri
Illustrazione di un buco nero

Il buco nero è un corpo celeste collassato con un campo gravitazionale talmente intenso da impedire la fuga persino alla luce.

L’espressione “buco nero” fu coniata nel 1967 dal fisico teorico John Archibald Wheeler.

Fu Stephen Hawking uno dei maggiori studiosi dei buchi neri e della loro relazione con la teoria della relatività generale; i buchi neri, infatti, rappresentano una singolarità dello spazio-tempo causata proprio dall’enorme forza di gravità: qualsiasi cosa cada nel buco nero verrebbe attratta al centro dove la curvatura dello spazio-tempo finisce in una “cuspide“.

Singolarità dello spazio tempo in un buco nero
Singolarità dello spazio tempo in un buco nero

Nel buco nero la curvatura spazio-temporale è così grande in una regione così piccola che le leggi della fisica smettono di valere: qualsiasi oggetto fisico comune sarebbe fatto a pezzi in modo da risultare irriconoscibile.

Nella regione periferica di un buco nero c’è una superficie matematicamente definita, nota come “orizzonte degli eventi“, la quale ci impedisce di vedere cosa accada agli oggetti che cadono nel buco. Per un osservatore che scende in caduta libera verso l’orizzonte degli eventi il tempo rallenta il suo corso rispetto ad un osservatore lontano. Di conseguenza, l’osservatore in caduta, visto dall’esterno, sembra rallentare il suo moto mentre si avvicina all’orizzonte: il suo passaggio per tale linea sembrerà richiedere un’eternità, mentre per l’osservatore in caduta impiegherà solo alcuni istanti nel tempo locale all’orizzonte. Questo effetto è spiegato dalla Teoria della Relatività Generale. Inoltre, all’avvicinarsi all’orizzonte degli eventi, l’oggetto o osservatore sarà sempre meno luminoso fino a sparire perché la luce emessa sarà completamente catturata all’interno del buco nero.

L'orizzonte degli eventi
L’orizzonte degli eventi

Gli unici buchi neri di cui c’è qualche indizio sono la conseguenza del collasso di stelle di massa molto maggiori di quella del Sole. Questi oggetti collassati sono così densi che un cucchiaino da tè del loro materiale peserebbe molte tonnellate. Un’altra proprietà notevole dei buchi neri è che la loro densità è inversamente proporzionale alla loro massa: ad esempio, la densità di un buco nero formato dal collasso di un oggetto di massa 100.000 volte maggiore del Sole è minore a quella dell’acqua.

Nel 1974 Stephen Hawking  scoprì che i buchi neri non sono completamente neri, ma emettono una radiazione a una temperatura caratteristica dipendente dalla loro massa. Apparentemente questa radiazione viola il principio che nulla può uscire da un buco nero, ma la spiegazione risiede nelle leggi della meccanica quantistica che affermano che lo spazio non è vuoto, ma è un “mare ribollente” di fluttuazioni quantiche che emettono coppie di particelle elementari che hanno una durata brevissima. In vicinanza di un buco nero può accadere che questa coppia di particelle non fa in tempo ad annichilirsi e, mentre una può cadere nel buco, l’altra può sfuggire e quindi essere “rilevata” come radiazione del buco nero.