Breve storia della lunga scoperta dei buchi neri

La storia della scoperta dei buchi neri è più vecchia di quanto si pensi, ripercorriamo le tappe fondamentali che hanno portato dalle prime teorie della gravità alla fotografia di Sagittario A*

Nella storia scientifica dei buchi neri l’ultima tappa è nota a tutti: i ricercatori del Event Horizon Telescope (EHT) in collaborazione con una rete mondiale di radiotelescopi hanno prodotto la prima fotografia di Sagittario A* (Sgr A*), il buco nero super massiccio che giace placido al centro della Via Lattea a 27.000 anni luce di distanza e che con la sua massa potrebbe fare da “ancora gravitazionale” per l’intera nostra galassia.

Tra il XVII ed il XVIII secolo le prime teorie

Quando si parla di buchi neri, il concetto di gravità è imprescindibile, di fatti il tutto ha inizio con la pubblicazione dei Principia di Isaac Newton nel 1687 in cui viene espressa la Teoria di Gravitazione Universale secondo la quale nessun oggetto può allontanarsi dalla Terra a velocità inferiori di 11,2 km/s per via della gravità, concetto definito come “Velocità di Fuga”.

Il primo a parlare di buco nero (anche se non usa questo termine che come vedremo è molto più moderno) fu John Michell, reverendo anglicano che usando il concetto di velocità di fuga e i calcoli dell’astronomo danese Ole Römer – che nel 1676 aveva misurò quantitativamente la velocità della luce in 300 mila km/sec –  introdusse nel 1783 il concetto di Stella Oscura, ovvero un corpo con densità molto superiore al Sole e quindi una velocità di fuga superiore a 300 mila km/s. Così alta da impedire alla sua luce di giungere fino ai nostri occhi.

Michell era ben conscio che tali corpi non sarebbero stati possibili da osservare direttamente, ma ipotizzò una loro osservazione indiretta attraverso le irregolarità nel moto di un corpo che compie un’orbita intono a loro, altrimenti inspiegabile diversamente. Sarà proprio questo uno dei metodi ad essere usato dall’astrofisica moderna per l’individuazione dei buchi nero (come lo studio della velocità orbitale della stella S2 intorno a Sgr A*).

Le teorie di Michell erano molto avanti per la loro epoca e vennero riprese anche da Pierre-Simon de Laplace nei suoi lavori, tuttavia, il cambio di paradigma dalla teoria corpuscolare a quella ondulatoria della natura della luce getto ombra sulle già buie stelle oscure.

Nel XX secolo la svolta

Bisogna attendere il XX secolo per tornare a sentir parlare di buchi neri e solo grazie agli studi rivoluzionari di Albert Einstein, che nel 1915 formulò la teoria della relatività generale secondo cui è la massa a determinare la forma dello spaziotempo e di conseguenza il moto di ogni cosa compresa la luce e di Karl Schwarzschild che nel 1916, attraverso le equazioni della relatività generale, scoprì l’impossibilità di ricavare qualunque genere di informazione da un oggetto la cui massa è concentrata in un orizzonte di dimensioni inferiore ad un certo valore calcolabile. In altri termini: quando la sua velocità di fuga supera quella della luce.

Non si aveva però la benché minima idea di come tali oggetti si sarebbero potuti formare. Fu solo grazie al lavoro di altri tre scienziati del calibro di Richard Chace Tolman, Robert Oppenheimer (che divenne poi il responsabile del progetto Manhattan) e di George Michael Volkoff che nel 1939 dimostrarono che il collasso di stelle almeno 3 volte più massicce del Sole avrebbe potuto generare un oggetto paragonabile ad un buco nero (Limite di Tolman-Oppenheimer-Volkoff)

La stella massiccia che collassa genera una sorta di sfera chiamata orizzonte degli eventi oltre il quale niente può far ritorno e tale oggetto fu ribattezzato “Buco Nero” dal fisico John Archibald Wheeler nel 1967.

Negli anni ’60 ci si avvicinò all’osservazione dei buchi neri quando per la prima volta vennero osservati i Quasar, detti anche QUASi-stellAR radio source, centri galattici che emettono una spaventosa quantità di energia, la cui luminosità non può essere associata a nessuna reazione nucleare che avvenga all’interno di una stella. L’unica spiegazione plausibile era che la sorgente di tali fenomeni sia il disco di accrescimento generato da gas e polveri intorno ad un buco nero.

Gli anni ’70 vedono compiersi grandi scoperte grazie all’impegno delle nuove generazioni di scienziati. Nel 1970 il fisico italiano Riccardo Giacconi identificò una sorgente di raggi X provenienti dalla costellazione del Cigno (definita Cygnus X), confermata nel ‘74 come la prima identificazione di un buco nero dai calcoli del futuro premio Nobel Kip Thorne, che vinse la scommessa fatta con l’amico e collega Stephen Hawking, scettico che la fonte dei raggi x di Cygnus X fosse un buco nero.

Il XXI secolo è tecnologico

L’affinamento della tecnologia ha portato notevoli vantaggi alla ricerca astronomica. Nuovi satelliti specializzati nello studio delle sorgenti a raggi gamma come INTEGRAL dell’agenzia spaziale europea vengono lanciati nello spazio, ma si aprono anche nuovi campi di ricerca anche sulla Terra come Astronomia delle Onde Gravitazionali.

Nel 2015 attraverso gli interferometri LIGO situato negli Stati Uniti e Virgo in Italia, fu rilevato il primo segnale corrispondente alla fusione di due buchi neri di 29 e 36 masse solari.

Se le masse determinano la geometria dello spaziotempo, quando si muovono devono far vibrare il suo “tessuto” in una vibrazione che si propagherebbe nell’ universo come un’onda: Un’ Onda Gravitazionale.    

Dal 2015 molti buchi neri sono stati identificati mediante l’utilizzo delle onde gravitazionali, ma il grande impatto scenico lo abbiamo avuto quando nel 2019 venne pubblicata la prima vera e propria fotografia del buco nero super massiccio al centro della galassia ellittica gigante M87

Questo strabiliante risultato ottenuto tramite un sistema composto da più radiotelescopi collegati mediante la tecnica di Interferometria a Base Molto Ampia (VLBI) che consente di ottenere una risoluzione angolare in grado di differenziare l’orizzonte degli eventi dei suddetti buchi neri e sincronizzare i dati provenienti dalle singole stazioni riceventi appartenenti alla rete.

Event Horizon Telescope – questo è il nome del progetto internazionale – ha poi bissato il risultato ottenuto nel 2019 quando nel 2022 è stato rilasciata la fotografia di Sagittario A*del buco nero super massiccio della nostra galassia.

Per il momento la storia è conclusa, ma ci aspettiamo altre grandi cose dal futuro. Dopotutto, l’orizzonte degli eventi della scoperta scientifica non ha limiti.

https://it.pearson.com/aree-disciplinari/scienze-matematica/articoli/buchi-neri-da-nobel.html

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