Secondo un nuovo studio, gli astronomi hanno identificato il più grande buco nero stellare mai scoperto nella Via Lattea, con una massa 33 volte quella del Sole.
La scoperta del buco nero Gaia BH3
Il buco nero, chiamato Gaia BH3, è stato scoperto “per caso” grazie ai dati raccolti dalla missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea, ha detto all’AFP Pasquale Panuzzo, un astronomo del Centro nazionale per la ricerca scientifica (CNRS) dell’Osservatorio di Parigi.
Gaia, che si dedica alla mappatura della Via Lattea, situata BH3 a 2.000 anni luce dalla Terra nella costellazione dell’Aquila. Poiché il telescopio di Gaia può fornire una posizione precisa delle stelle nel cielo, gli astronomi sono stati in grado di caratterizzare le loro orbite e misurare la massa della compagna invisibile della stella, 33 volte quella del Sole.
Ulteriori osservazioni effettuate dai telescopi da terra hanno confermato che si trattava di un buco nero con una massa molto maggiore di quella dei buchi neri stellari già presenti nella Via Lattea.
“Nessuno si aspettava di trovare un buco nero di massa elevata in agguato nelle vicinanze, finora non rilevato. Questo è il tipo di scoperta che si fa una volta nella vita di ricerca”, ha detto Panuzzo in un comunicato stampa.
Il buco nero stellare è stato scoperto quando gli scienziati hanno notato un movimento “oscillante” sulla stella compagna che gli orbitava attorno: “Abbiamo potuto vedere una stella un po’ più piccola del Sole (circa il 75% della sua massa) e più luminosa, che ruotava attorno a un compagno invisibile”, ha detto Panuzzo.
I buchi neri stellari nascono dal collasso di stelle massicce alla fine della loro vita e sono più piccoli dei buchi neri supermassicci la cui creazione è ancora sconosciuta. Tali giganti sono già stati rilevati in galassie lontane tramite onde gravitazionali .Ma “mai nel nostro”, ha detto Panuzzo.
BH3 è un buco nero “dormiente” ed è troppo lontano dalla sua stella compagna per privarlo della sua materia e quindi non emette raggi X, rendendolo difficile da rilevare. Il telescopio di Gaia ha identificato i primi due buchi neri inattivi (Gaia BH1 e Gaia BH2) nella Via Lattea.
Gaia ha operato a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra negli ultimi 10 anni e nel 2022 ha consegnato una mappa 3D delle posizioni e dei movimenti di oltre 1,8 miliardi di stelle.
Cos’è un buco nero?
I buchi neri sono alcuni degli oggetti più strani e affascinanti dello spazio. Sono estremamente densi, con un’attrazione gravitazionale così forte che nemmeno la luce può sfuggire alla loro presa.
La Via Lattea potrebbe contenere oltre 100 milioni di buchi neri, anche se individuare queste bestie golose è molto difficile. Nel cuore della Via Lattea si trova un buco nero supermassiccio: Sagittarius A* . Secondo una dichiarazione della NASA , la struttura colossale è circa 4 milioni di volte la massa del Sole e si trova a circa 26.000 anni luce dalla Terra .
La prima immagine di un buco nero è stata catturata nel 2019 dalla collaborazione Event Horizon Telescope (EHT). La sorprendente foto del buco nero al centro della galassia M87, a 55 milioni di anni luce dalla Terra, ha entusiasmato gli scienziati di tutto il mondo.
Si prevede che i buchi neri si formino attraverso due canali distinti. Secondo il primo percorso, sono cadaveri stellari, quindi si formano quando muoiono stelle massicce. Le stelle la cui massa alla nascita è superiore a circa 8-10 volte la massa del nostro Sole, quando esauriscono tutto il loro carburante – l’idrogeno – esplodono e muoiono lasciando dietro di sé un oggetto denso molto compatto, un buco nero. Il buco nero risultante che viene lasciato indietro viene definito buco nero di massa stellare e la sua massa è dell’ordine di alcune volte la massa del sole.
Non tutte le stelle lasciano buchi neri, le stelle con masse minori alla nascita lasciano dietro di sé una stella di neutroni o una nana bianca. Un altro modo in cui si formano i buchi neri è il collasso diretto del gas, un processo che dovrebbe dare origine a buchi neri più massicci, con una massa che va da 1.000 volte la massa del Sole fino a 100.000 volte la massa del Sole. Questo canale elude la formazione della stella tradizionale e si ritiene che operi nell’universo primordiale e produca semi di buchi neri più massicci.
I buchi neri furono previsti come una soluzione matematica esatta alle equazioni di Einstein. Le equazioni di Einstein descrivono la forma dello spazio attorno alla materia. La teoria della relatività generale collega la geometria o forma della forma alla distribuzione dettagliata della materia.
La soluzione del buco nero fu trovata da Karl Schwarzschild nel 1915, e si scoprì che queste regioni – i buchi neri – distorcono estremamente lo spazio e generano una foratura nel tessuto dello spaziotempo. All’epoca non era chiaro se questi corrispondessero a oggetti reali nell’universo.
Nel corso del tempo, quando furono rilevati altri prodotti finali della morte stellare, vale a dire le stelle di neutroni viste come pulsar, divenne chiaro che i buchi neri erano reali e avrebbero dovuto esistere. Il primo buco nero rilevato è stato Cygnus-X1.
I buchi neri non muoiono di per sé, ma teoricamente si prevede che alla fine evaporeranno lentamente su scale temporali estremamente lunghe.
I buchi neri crescono grazie all’accumulo di materia nelle vicinanze, attirata dalla loro immensa gravità. Hawking predisse che i buchi neri potevano anche irradiare energia e restringersi molto lentamente. La teoria quantistica suggerisce che esistano particelle virtuali che entrano ed escono continuamente dall’esistenza.
Quando ciò accade, appaiono una particella e la sua antiparticella compagna. Tuttavia, possono anche ricombinarsi e scomparire nuovamente. Quando questo processo avviene vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero, possono accadere cose strane.
Invece di far esistere per un attimo la coppia particella-antiparticella e poi annientarsi a vicenda, una di loro può cadere per gravità e cadere nel buco nero, mentre l’altra particella può volare via nello spazio.
Su scale temporali molto lunghe, stiamo parlando di scale temporali molto più lunghe dell’età del nostro universo, la teoria afferma che questo rivolo di particelle in fuga farà evaporare lentamente il buco nero.
Nessun buco nero non è un wormhole. I wormhole possono essere pensati come tunnel che collegano due punti separati nello spazio e nel tempo. Si ritiene che l’interno dei buchi neri possa contenere un wormhole, la perforazione dello spaziotempo, che potrebbe offrire un portale verso un altro punto dello spaziotempo potenzialmente anche in un universo diverso.
Albert Einstein predisse per primo l’esistenza dei buchi neri nel 1916, con la sua teoria della relatività generale . Il termine “buco nero” fu coniato molti anni dopo, nel 1967, dall’astronomo americano John Wheeler. Dopo decenni in cui i buchi neri erano conosciuti solo come oggetti teorici.
Il primo buco nero mai scoperto è stato Cygnus X-1, situato all’interno della Via Lattea nella costellazione del Cigno, il Cigno.
Secondo la NASA, gli astronomi videro i primi segni del buco nero nel 1964, quando un razzo sonda rilevò sorgenti celesti di raggi X. Nel 1971, gli astronomi stabilirono che i raggi X provenivano da una stella blu brillante in orbita attorno a uno strano oggetto scuro.
È stato suggerito che i raggi X rilevati fossero il risultato del materiale stellare strappato via dalla stella luminosa e “divorato” dall’oggetto oscuro, un buco nero divorante.
Secondo lo Space Telescope Science Institute (STScI) circa una stella su mille è abbastanza massiccia da diventare un buco nero. Poiché la Via Lattea contiene oltre 100 miliardi di statistiche, la nostra galassia deve ospitare circa 100 milioni di buchi neri.
Anche se rilevare i buchi neri è un compito difficile e le stime della NASA suggeriscono che potrebbero esserci da 10 milioni a un miliardo di buchi neri stellari nella Via Lattea.
Il buco nero più vicino alla Terra è soprannominato “ L’Unicorno ” e si trova a circa 1.500 anni luce di distanza. Il soprannome ha un doppio significato. Non solo il candidato buco nero risiede nella costellazione dell’Unicorno (“l’unicorno”), ma la sua massa incredibilmente bassa – circa tre volte quella del sole – lo rende quasi unico nel suo genere.
Nel 2019 la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha rilasciato la prima immagine mai registrata di un buco nero . L’EHT ha visto il buco nero al centro della galassia M87 mentre il telescopio esaminava l’orizzonte degli eventi o l’area oltre la quale nulla può sfuggire a un buco nero.
L’immagine mappa l’improvvisa perdita di fotoni (particelle di luce). Si apre anche un’area completamente nuova di ricerca sui buchi neri, ora che gli astronomi sanno che aspetto ha un buco nero.
Nel 2021, gli astronomi hanno rivelato una nuova visione del gigantesco buco nero al centro di M87, mostrando come appare la colossale struttura nella luce polarizzata.
Poiché le onde luminose polarizzate hanno un orientamento e una luminosità diversi rispetto alla luce non polarizzata, la nuova immagine mostra il buco nero in modo ancora più dettagliato. La polarizzazione è una caratteristica dei campi magnetici e l’immagine chiarisce che l’anello del buco nero è magnetizzato.
I buchi neri hanno tre “strati”: l’orizzonte degli eventi esterno ed interno e la singolarità.
L’ orizzonte degli eventi di un buco nero è il confine attorno alla bocca del buco nero, oltre il quale la luce non può fuoriuscire. Una volta che una particella attraversa l’orizzonte degli eventi, non può andarsene. La gravità è costante attraverso l’orizzonte degli eventi.
La regione interna di un buco nero, dove si trova la massa dell’oggetto, è conosciuta come la sua singolarità , l’unico punto nello spazio-tempo in cui è concentrata la massa del buco nero.
Gli scienziati non possono vedere i buchi neri nello stesso modo in cui vedono le stelle e altri oggetti nello spazio. Invece, gli astronomi devono fare affidamento sul rilevamento della radiazione emessa dai buchi neri quando polvere e gas vengono attirati nelle dense creature. Ma i buchi neri supermassicci , che si trovano al centro di una galassia, potrebbero essere avvolti dalla spessa polvere e dal gas che li circonda, che può bloccare le emissioni rivelatrici.
A volte, quando la materia viene attratta verso un buco nero, rimbalza fuori dall’orizzonte degli eventi e viene scagliata verso l’esterno, invece di essere trascinata nelle fauci. Vengono creati getti luminosi di materiale che viaggiano a velocità quasi relativistiche. Sebbene il buco nero rimanga invisibile, questi potenti getti possono essere visti da grandi distanze.
Cosa succede al centro di un buco nero?
La singolarità al centro di un buco nero è la terra di nessuno per eccellenza: un luogo dove la materia è compressa fino a un punto infinitamente piccolo e tutte le concezioni di tempo e spazio crollano completamente. Qualcosa deve sostituire la singolarità, ma non siamo esattamente sicuri di cosa.
Potrebbe darsi che nelle profondità di un buco nero la materia non venga schiacciata fino a ridurla in un punto infinitamente piccolo. Potrebbe invece esserci la più piccola configurazione possibile della materia, la più piccola sacca di volume possibile.
Questa si chiama stella di Planck ed è una possibilità teorica prevista dalla gravità quantistica a loop, che è essa stessa una proposta altamente ipotetica per creare una versione quantistica della gravità. Nel mondo della gravità quantistica a loop, lo spazio e il tempo sono quantizzati: l’universo intorno a noi è composto da piccoli pezzi discreti, ma su una scala così incredibilmente piccola che i nostri movimenti appaiono fluidi e continui.
Questa frammentazione teorica dello spazio-tempo offre due vantaggi. Innanzitutto, porta il sogno della meccanica quantistica alla sua conclusione definitiva, spiegando la gravità in modo naturale. E due, rende impossibile la formazione di singolarità all’interno dei buchi neri.
Quando la materia schiaccia sotto l’immenso peso gravitazionale di una stella che collassa, incontra resistenza. La discrezione dello spazio-tempo impedisce alla materia di raggiungere qualcosa di più piccolo della lunghezza di Planck (circa 1,68 volte 10^-35 metri). Tutto il materiale caduto nel buco nero viene compresso in una palla non molto più grande di questa. Perfettamente microscopico, ma sicuramente non infinitamente piccolo.
Questa resistenza alla compressione continua alla fine costringe il materiale a non collassare (cioè a esplodere), rendendo i buchi neri solo oggetti temporanei. Ma a causa degli effetti estremi di dilatazione temporale attorno ai buchi neri, dal nostro punto di vista nell’universo esterno ci vogliono miliardi, addirittura trilioni, di anni prima che esplodano.
Un altro tentativo di sradicare la singolarità – che non si basa su teorie non testate della gravità quantistica – è noto come gravastar. È un concetto così teorico che il mio correttore ortografico non ha nemmeno riconosciuto la parola.
La differenza tra un buco nero e una gravastar è che, invece di una singolarità, la gravastar è piena di energia oscura . L’energia oscura è una sostanza che permea lo spazio-tempo, facendolo espandere verso l’esterno. Sembra fantascienza, ma è reale: l’energia oscura è attualmente in funzione nel cosmo più grande, facendo sì che il nostro intero universo acceleri nella sua espansione.
Quando la materia cade su una gravastar, non è in grado di penetrare effettivamente l’ orizzonte degli eventi (a causa di tutta quell’energia oscura al suo interno) e quindi resta semplicemente in superficie. Ma al di fuori di quella superficie, le gravastar appaiono e si comportano come normali buchi neri. (L’orizzonte degli eventi di un buco nero è il suo punto di non ritorno: il confine oltre il quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.)
Recenti osservazioni della fusione di buchi neri con rilevatori di onde gravitazionali hanno potenzialmente escluso l’esistenza di gravastars, perché la fusione di gravastars darà un segnale diverso rispetto alla fusione di buchi neri, e strumenti come LIGO (il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ) e Virgo sono ottenendo sempre più esempi di giorno in giorno. Anche se le gravastar non sono esattamente vietate nel nostro universo, si trovano sicuramente sul ghiaccio sottile.
Le stelle di Planck e le gravastar possono avere nomi fantastici, ma la realtà della loro esistenza è in dubbio. Quindi forse c’è una spiegazione più banale per le singolarità, basata su una visione più sfumata – e realistica – dei buchi neri nel nostro universo.
L’idea di un singolo punto di densità infinita deriva dalla nostra concezione di buchi neri stazionari, non rotanti, privi di carica, piuttosto noiosi. I veri buchi neri sono personaggi molto più interessanti, soprattutto quando girano.
La rotazione di un buco nero rotante allunga la singolarità fino a formare un anello. E secondo i calcoli della teoria della relatività generale di Einstein (che è l’unico calcolo che abbiamo), una volta che si passa attraverso la singolarità dell’anello, si entra in un wormhole e si esce attraverso un buco bianco (l’opposto polare di un buco nero), dove nulla può entrare e la materia esce alla velocità della luce) in una zona completamente nuova ed emozionante dell’universo.
L’interno dei buchi neri rotanti è catastroficamente instabile. E questo avviene secondo gli stessi calcoli che portano alla previsione del viaggio verso un nuovo universo.
Il problema con i buchi neri rotanti è che, appunto, ruotano. La singolarità, allungata in un anello, ruota a un ritmo così fantastico da possedere un’incredibile forza centrifuga. E nella relatività generale, forze centrifughe sufficientemente forti agiscono come l’antigravità: spingono, non tirano.
Ciò crea un confine all’interno del buco nero, chiamato orizzonte interno. Al di fuori di questa regione, la radiazione cade verso l’interno verso la singolarità, spinta dall’estrema attrazione gravitazionale. Ma la radiazione è spinta dall’antigravità vicino alla singolarità dell’anello, e il punto di svolta è l’orizzonte interno. Se dovessi incontrare l’orizzonte interiore, ti troveresti di fronte a un muro di radiazioni infinitamente energetiche: l’intera storia passata dell’universo, scaraventata in faccia in meno di un batter d’occhio.
La formazione di un orizzonte interno getta i semi per la distruzione del buco nero. Ma i buchi neri rotanti esistono certamente nel nostro universo, quindi questo ci dice che i nostri calcoli sono sbagliati e che sta succedendo qualcosa di strano.
