Il nostro amore per i buchi neri continua a crescere man mano che la nostra conoscenza di questi corpi celesti si espande. L'ultima notizia è la scoperta di un raro buco nero "medio", un relativamente nuovo arrivato nella famiglia dei buchi neri.

Sapevamo già che alcuni buchi neri sono poche volte la massa del nostro sole, mentre altri sono più di un miliardo di volte più massicci. Ma altri con masse intermedie, come quello 2, 200 volte la massa del nostro sole recentemente scoperto nell'ammasso stellare 47 Tucanae, sono sorprendentemente sfuggenti.

Allora di cosa si tratta buchi neri, queste prigioni gravitazionali che intrappolano tutto ciò che si avvicina troppo a loro, che cattura l'immaginazione di persone di tutte le età e professioni?

"Stelle oscure"

Già nel 1783, nell'ambito della dinamica newtoniana, il concetto di "stelle oscure" con densità sufficientemente elevata che nemmeno la luce può sfuggire alla loro attrazione gravitazionale era stato avanzato dal filosofo e matematico inglese John Michell.

Quasi subito dopo che Albert Einstein presentò la sua teoria della relatività generale nel 1915, che ha soppiantato la descrizione di Newton del nostro universo e ha rivelato come spazio e tempo siano intimamente legati, il collega tedesco Karl Schwarzschild e l'olandese Johannes Droste derivarono indipendentemente le nuove equazioni per una massa sferica o puntiforme.

Sebbene all'epoca il problema fosse ancora una curiosità matematica, nel successivo quarto di secolo i fisici nucleari si resero conto che stelle sufficientemente massicce sarebbero collassate sotto il loro stesso peso per diventare questi buchi neri precedentemente teorizzati.

La loro esistenza fu infine confermata dagli astronomi utilizzando potenti telescopi, e più recentemente i buchi neri in collisione sono stati la fonte delle onde gravitazionali rilevate con la strumentazione LIGO negli Stati Uniti.

Un oggetto denso

La densità di tali oggetti è sbalorditiva. Se il nostro sole diventasse un buco nero, dovrebbe crollare dalla sua dimensione attuale di 1,4 milioni di km di diametro a un raggio inferiore a 3 km (6 km di diametro). La sua densità media all'interno di questo "raggio di Schwarzschild" sarebbe di quasi 20 miliardi di tonnellate per centimetro cubo.

L'aumento della forza e della forza di gravità man mano che ci si avvicina a un buco nero può essere drammatica.

Sulla terra, la forza dell'attrazione gravitazionale che ti tiene sulla sua superficie è più o meno la stessa ai tuoi piedi come lo è alla tua testa, che è un po' più lontano dal pianeta.

Ma vicino ad alcuni buchi neri, la differenza nell'attrazione gravitazionale dalla testa ai piedi è così grande che verresti fatto a pezzi e disteso a livello atomico, in un processo chiamato spaghettificazione.

Nel 1958, il fisico americano David Finkelstein è stato il primo a realizzare la vera natura di quello che è stato chiamato "orizzonte degli eventi" di un buco nero. Ha descritto questo confine attorno a un buco nero come la perfetta membrana unidirezionale.

È una superficie immateriale che racchiude una sfera di non ritorno. Una volta dentro questa sfera, l'attrazione gravitazionale del buco nero è troppo grande per sfuggire, anche per la luce.

Nel 1963, il matematico neozelandese Roy Kerr ha risolto le equazioni per i buchi neri rotanti più realistici. Questi hanno prodotto curve chiuse simili al tempo che hanno permesso il movimento a ritroso nel tempo.

Mentre soluzioni così strane alle equazioni della relatività generale sono apparse per la prima volta nell'opera del 1949 del logico austriaco-americano Kurt Gödel, si pensa comunemente che debbano essere un artefatto matematico ancora da spiegare.

Buchi in bianco e nero

Nel 1964, due americani, la scrittrice Ann Ewing e il fisico teorico John Wheeler, ha introdotto il termine "buco nero". Successivamente, nel 1965, l'astrofisico teorico russo Igor Novikov ha introdotto il termine "buco bianco" per descrivere l'ipotetico opposto di un buco nero.

L'argomento era che se la materia cade in un buco nero, allora forse viene vomitato nel nostro universo da un buco bianco.

Questa idea è in parte radicata nel concetto matematico noto come ponte Einstein-Rosen. Scoperta (matematicamente) nel 1916 dal fisico austriaco Ludwig Flamm, e reintrodotto nel 1935 da Einstein e dal fisico americano-israeliano Nathan Rosen, in seguito è stato definito un "wormhole" da Wheeler.

Nel 1962, Wheeler e il fisico americano Robert Fuller hanno spiegato perché tali wormhole sarebbero instabili per trasportare anche un singolo fotone attraverso lo stesso universo.

Realtà e finzione

Non sorprendentemente, l'idea di entrare in un portale (buco nero) e riemergere da qualche altra parte nell'universo - nello spazio e/o nel tempo - ha generato innumerevoli storie di fantascienza, compreso Doctor Who, Portale stellare, Frangia, Farscape e il buco nero della Disney.

Le produzioni in corso possono semplicemente affermare che i loro personaggi stanno viaggiando in un universo diverso o parallelo al nostro. Anche se sembra essere matematicamente fattibile, non ci sono ovviamente prove fisiche a sostegno dell'esistenza di tali universi.

Ma questo non vuol dire che il viaggio nel tempo, almeno in senso limitato, non è reale. Quando si viaggia a grande velocità, o forse cadere in un buco nero, il passare del tempo rallenta rispetto a quello sperimentato da osservatori fermi.

Gli orologi volati veloci in giro per il mondo lo hanno dimostrato, visualizzazione dei ritardi temporali in accordo con la teoria della relatività speciale di Einstein.

Il film del 2014 Interstellar ha giocato su questo effetto attorno a un buco nero, creando così la sensazione di viaggiare avanti nel tempo per l'astronauta Cooper (interpretato da Matthew McConaughey).

Nonostante il nome stranamente accattivante, la frase "buco nero" è forse un po' fuorviante. Implica un buco nello spazio-tempo attraverso il quale cadrà la materia, al contrario della materia che cade su un oggetto incredibilmente denso.

Ciò che effettivamente esiste all'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero è oggetto di accesi dibattiti. I tentativi di capire questo includono l'immagine "fuzzball" dalla teoria delle stringhe, o descrizioni di buchi neri nelle teorie della gravità quantistica note come "reti di schiuma di spin" o "gravità quantistica ad anello".

Una cosa che sembra certa è che i buchi neri continueranno ad incuriosirci e ad affascinarci ancora per qualche tempo.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.