Chiacchiere da Nobel

Oxford, 7 Ottobre 2020

Ci troviamo in un piccolo e accogliente pub inglese.

Tra il vociare dei presenti, alcuni discutono animatamente dell’ultima giornata di Premier League (n.d.a: la massima divisione del campionato di calcio inglese), altri consumano un pasto accompagnato dalla tipica birra e, fra tutti, un piccolo gruppo di simpatici anziani gioca a carte.

Ma, all’improvviso, qualcosa interrompe il consueto scorrere della giornata e tutti si voltano verso l’ingresso del locale.

Qualche attimo di stupore silenzioso e, poi… lo scroscio di un lungo applauso.

Era entrato. Lui, l’uomo del momento, colui che aveva dedicato tutta la sua vita allo studio di corpi celesti lontanissimi da noi (per fortuna) e invisibili (almeno, fino a qualche anno fa), i buchi neri, e i cui sforzi erano stati ricompensati alla fine con il Nobel.

Era entrato Roger Penrose.

Molti hanno facce che esprimono tutta la loro sorpresa: “Ma è proprio lui? Quindi anche i grandi scienziati vanno al bar?”

Aspetto qualche momento, indeciso sul da farsi, sullo sfruttare o meno l’occasione che mi si presenta.

Ho deciso: mi alzo, mi avvicino e gli chiedo qualcosa sulle ricerche che hanno portato lui, Andrea Ghez e Reinhard Genzel a vincere il Nobel per la Fisica del 2020.

Buongiorno, sir Penrose. Mi piacerebbe farle qualche domanda sulle sue ricerche.

Innanzitutto, potrebbe spiegarmi cos’è un buco nero?

Per spiegarlo, partiamo dal concetto di velocità di fuga. 

La velocità di fuga di un oggetto è la velocità minima che questo deve avere per potersi svincolare dall’attrazione gravitazionale di un altro corpo o, più tecnicamente, da un campo gravitazionale.

Se, ad esempio, prendiamo un sasso e lo lanciamo verso l’alto, siamo abituati a vederlo ricadere a terra dopo un certo tempo. Questo perché il sasso ha un’energia potenziale gravitazionale (EG) maggiore dell’energia cinetica (EK) del sasso.

Ma se lanciassimo il sasso a una velocità tale per cui EK > EG, non vedremmo più questo ricadere a terra, bensì lo vedremmo viaggiare nello spazio.

Ora, agli inizi del Novecento abbiamo appreso con la teoria della Relatività che nessun corpo potrà mai superare la velocità della luce.

Bene, possiamo allora definire come buco nero una regione dello spazio-tempo (in Relatività non si parla mai solo di spazio, ma sempre di spazio e tempo, che sono intimamente connessi) in cui l’attrazione gravitazionale è così intensa che neppure la luce può fuggire.

E se la luce non può fuggire, noi non possiamo avere informazioni dirette su cosa accade in questa regione.

Nel caso siate interessati a qualche curiosità sui buchi neri, vi rimando a questo articolo (sì, nella mia testa Penrose consiglia articoli di Bar Scienza).

Come si forma un buco nero?

Abbiamo visto che un buco nero è una regione dove il valore dell’energia potenziale gravitazionale è grandissimo.

Come sappiamo, un valore elevato di questa è collegato a grandi masse confinate in spazi ristretti.

E dove troviamo grandi masse nel cosmo confinate in regioni tutto sommato limitate?

Nelle stelle molto massive, la cui massa è qualche decina di volte la massa solare.

Al termine della loro vita (cioè, quando il nucleo non è più in grado di raggiungere temperature tali da innescare ulteriori processi di fusione), il materiale esterno viene espulso in eventi di supernova (gigantesche esplosioni) e rimane un nucleo compresso.

Se tale nucleo ha una massa superiore al limite di Chandrasekhar, pari a 1,44 volte la massa del Sole, nessun fenomeno fisico potrà contrastare il collasso gravitazionale (tale limite è stato leggermente innalzato in seguito allo studio delle stelle di neutroni).

La materia continuerà quindi a collassare fino a formare un buco nero.

Figura 2 – La famosa immagine della materia che circonda il buco nero M87 [Credit Image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Black_hole_-_Messier_87.jpg]

A proposito di buchi neri, si è parlato di Relatività. 

Quindi, si potrebbe dire che anche l’ipotesi dell’esistenza di questi è riconducibile ad Einstein?

Senza dubbio la teoria dei buchi neri ha le fondamenta nella Teoria della Relatività Generale di Einstein, pubblicata nel 1915.

Ricordiamo che tale teoria collega, in maniera molto elegante, la presenza di materia nell’Universo con le deformazioni dello spazio-tempo.

Pochi mesi dopo la sua pubblicazione, il fisico tedesco Schwarzschild trovò una soluzione alle equazioni di Einstein che descriveva la struttura dello spazio-tempo in presenza di una massa a simmetria sferica, non rotante.

Questa soluzione conteneva due singolarità, cioè punti in cui le quantità presenti nelle equazioni divergono all’infinito.

Queste erano (nel seguito indicheremo con r la coordinata radiale, considerando una sfera centrata nel centro del nostro buco nero):

  • r = 0: considerata una vera singolarità; di solito r = 0 è sempre un punto critico, particolare, quindi sembrava normale che qualcosa divergesse.
  • r=RS=2GMc2 : questa superficie (RS è chiamato raggio di Schwarzschild) non veniva considerata una singolarità fisica, ma solamente un artefatto matematico dovuto a una particolare scelta delle coordinate.

In pratica, non si sapeva esattamente come interpretare la superficie di raggio RS da un punto di vista fisico.

Oggi sappiamo che quella superficie corrisponde all’orizzonte degli eventi: quella superficie oltre cui, provenendo dall’esterno, non è più possibile nemmeno per la luce sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero.

Ma questo non venne compreso fino al 1939, grazie agli studi di Oppenheimer e Snyder.

Nonostante questi studi, rimanevano ancora molti dubbi sulla reale esistenza dei buchi neri. 

In particolare, si riteneva che questo orizzonte fosse dovuto alla simmetria sferica del problema e che, in situazioni reali, non si sarebbero potuti formare tali oggetti.

Lo stesso Einstein non credeva all’esistenza di tali orizzonti.

Ed è qui che entriamo in gioco io e Stephen Hawking, negli anni Sessanta del secolo scorso.

Grazie alla creazione di nuovi strumenti matematici siamo riusciti a dimostrare che la sfericità non è una condizione necessaria alla formazione dei buchi neri e che questi si possono formare in condizioni generiche.

Mi potrebbe spiegare in cosa consiste il lavoro di Genzel e Ghez che hanno condiviso con lei il premio Nobel per la Fisica di quest’anno?

I miei colleghi hanno vinto il premio Nobel per la scoperta del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia.

Come abbiamo detto, un buco nero è invisibile. Le uniche prove che possiamo avere sulla sua esistenza sono prove indirette, basate su ciò che sta attorno ad esso.

Nella regione centrale della Via Lattea (e di molte altre galassie) sono presenti degli agglomerati di stelle e gas caldi.

L’idea dei teams di ricerca coordinati da Genzel, al Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, e da Ghez, alla UCLA, fu quella di misurare la velocità di un insieme di stelle che ruotavano nei pressi della regione centrale della nostra galassia.

Nel caso in cui al centro della Galassia fosse stato presente un buco nero supermassiccio, la velocità delle stelle a distanza r da questo avrebbe dovuto seguire un andamento come r-1/2.

Ora, a causa dei lunghi tempi di misura necessari, le osservazioni dallo spazio non erano praticabili.

Il dover effettuare misurazioni da terra ha portato alla creazione di tecniche ingegnose da parte dei ricercatori per correggere le aberrazioni dovute all’atmosfera terrestre.

Al termine delle loro osservazioni, i due teams sono giunti alla conclusione che il centro della Via Lattea era abitato da un buco nero supermassiccio, con una massa di circa 4 milioni di volte la massa del Sole.

Vrrr, vrrr… suona la sveglia sul comodino, è tempo di alzarsi.

Peccato, è stato un bel sogno e avevo ancora tante domande da porre a Penrose.

Sarà per un’altra notte.

Andrea Marangoni

Laurea Magistrale in Fisica con una tesi sui dischi circumstellari presso l’Università degli Studi di Padova. Appassionato di scienza fin da bambino, tifoso della Juventus, nel tempo libero mi piace dedicarmi all’attività fisica. 

“I’m just a mad man in a box”.

Fonti:

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