Né buchi né neri

Dr Becky Smethurst
Breve storia dei buchi neri
E perché tutto quello che pensi di sapere è sbagliato
(A Brief History of Black Holes. And why everything you know about them is wrong, 2022)
Traduzione di Corrado Ghinamo
Apogeo Editore, Milano 2025
Pagine XV-204

Che cos’è una stella? È una massa di materia allo stato fluido, magmatico e gassoso, che trasforma l’idrogeno in elio attraverso una fusione nucleare che può durare più o meno a lungo, da milioni a miliardi di anni terrestri, in relazione alla massa complessiva della stella. Il processo di fusione nucleare produce e libera una grande quantità di energia nelle più diverse forme, riassumibili sotto la parola lux, luce, purché non la si riferisca alla sola luce ottica – vale a dire a una particolare frequenza delle onde che compongono l’energia elettromagnetica che la luce è – ma a un’ampia varietà di lunghezze e frequenze, che dalla lunghezza d’onda maggiore a quella più piccola vanno dalle onde radio ai raggi gamma passando per le radiazioni a microonde, gli infrarossi, il visibile, l’ultravioletto, i raggi X.
Maggiore è la massa maggiore è anche la luminosità e più alta è la temperatura, data l’equivalenza tra massa ed energia. Le stelle più massicce splendono dunque di più ma questo vuol dire che consumano più velocemente la loro dotazione di idrogeno e quindi più velocemente cessano di brillare, si spengono; con un antropomorfismo: ‘muoiono’.
Interviene qui l’altro fondamentale fattore nell’esistenza delle stelle, come di tutti i corpi, vale a dire la gravità. L’enorme quantità di energia/luce/massa emessa durante il processo di fusione nucleare contrasta infatti il processo in direzione inversa, lo schiacciamento su se stessa al quale la massa della stella continuamente tende a causa appunto della gravità. Una quantità di energia si indirizza in questo modo verso l’esterno della stella – ed è ciò che chiamiamo calore e luce -, un’altra quantità si indirizza invece verso l’interno, nel processo che chiamiamo collasso gravitazionale. 

Nel ciclo di vita di una stella, e sempre in relazione alla massa, l’esito finale prima dell’esaurimento dell’idrogeno può essere costituito da tre diverse tipologie.
La prima è una nana bianca, stelle che si trasformano in un nucleo disordinato di elio, carbonio e ossigeno prima di perdere del tutto la propria capacità di emanare energia.
Un secondo esito è una stella di neutroni, un corpo dal diametro molto piccolo (qualche decina di chilometri) ma denso oltre ogni immaginazione, nel quale la forza di gravità è dunque predominante; questo è infatti il risultato del collasso gravitazionale, cioè dell’implosione, di una stella massiccia che abbia esaurito il proprio carburante.
Il terzo esito è ciò che un giornalista, e non un fisico, definì con l’espressione black hole. I cosiddetti buchi neri costituiscono dunque un’ulteriore possibile fase delle stelle di neutroni, in quanto superato un determinato limite nella massa di una stella di neutroni lo schiacciamento della gravità verso l’interno non può essere fermato da nessun processo fisico conosciuto. La gravità diventa pertanto così potente da bloccare l’emissione di energia verso l’esterno, compresa l’energia elettromagnetica che chiamiamo luce visibile. Questo giustifica in prima istanza l’aggettivo black ma si tratta di un termine che ha generato molti più equivoci che comprensione di tali fenomeni.
I cosiddetti buchi neri non sono infatti né vuoti (buchi) né neri. Come è implicito in quanto già detto, essi non costituiscono un vuoto di materia ma, al contrario, una sua enorme densità gravitazionale. Non sono fatti di buio ma di una luce talmente pervasiva da non poter sfuggire dallo spaziotempo (qualunque forma esso abbia) nel quale si trova. Potrebbero dunque essere meglio definiti con l’espressione proposta da John Michell e fatta propria da Becky Smethurst di dark stars, stelle oscure. In questo modo viene mantenuta la natura stellare di tali strutture e si evidenzia il fatto che in esse la gravitazione supera l’irradiazione di energia verso l’esterno.

Si tratta di una impossibilità che deriva da due leggi fisiche fondamentali.
La prima è una costante ed è la velocità della luce nel vuoto, che è pari a poco meno di 300.000 km al secondo. Nessun corpo e nessuna radiazione possono superare tale limite, almeno secondo le leggi fisiche oggi conosciute e accettate. Tale costante è definita con la lettera c, dal latino celeritas. Accade dunque che «più si viaggia velocemente e più si diventa pesanti. Quando ci si avvicina alla velocità della luce, la massa tende a infinito. Non esiste un numero più grande di infinito. Man mano che si viaggia sempre più vicini alla velocità della luce, l’immissione di più energia, per cercare di andare più veloci, aumenta l’energia e la massa, ma in modo sempre più irrilevante la velocità. Questo è il motivo per cui nulla può andare più veloce della luce: 299.792.458 m/s è il limite massimo di velocità in tutto l’universo» (p. 54).
La seconda legge è definita velocità di fuga e indica quale velocità un corpo deve raggiungere per potersi allontanare dall’attrazione gravitazionale su di esso esercitata da un altro corpo. Tale valore ovviamente muta in relazione alla rispettiva massa dei due corpi e alla reciproca distanza . La velocità di fuga dalla Terra, quella ad esempio necessaria a dei razzi per raggiungere un’orbita sopra l’atmosfera o per allontanarsi dal nostro pianeta, è pari a circa 11,2 km/s.
Dall’azione coordinata di queste due leggi fisiche segue che nel caso di un buco nero, la cui gravità è enorme, «non esiste nulla nell’universo che possa viaggiare più rapidamente della sua velocità di fuga, nemmeno la luce stessa» (p. 55). 

È per questo che una stella oscura (o buco nero) appare oscura a chiunque si trovi fuori dal suo cosiddetto orizzonte degli eventi, vale a dire il limite ultimo dal quale è possibile che delle radiazioni si allontanino e che dunque possano trasmetterci le informazioni che veicolano. Questo però non vuol dire affatto che le stelle oscure rimangano oscure al proprio interno, vale anzi esattamente il contrario. Esse costituiscono infatti una massa enormemente densa di materia, energia e luce, tre elementi che sono la stessa cosa.
La materia che collassa su se stessa diventa pertanto invisibile al di là di un limite fisico che la densità stessa di questi corpi tende a spostare sempre più in avanti. Prima di tale limite e dentro la propria struttura, le stelle scure sono in realtà «gli oggetti più luminosi dell’intero universo», come Smethurst scrive alle pp. XV, 89 e 129 del libro.
I buchi neri costituiscono quindi un capitolo molto coinvolgente e disvelatore della struttura e della storia della luce.

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