E se il buco nero nello spazio non fosse davvero un "buco"?

Fermi tutti. Lo sappiamo: non si può certo pensare di aver soddisfatto ogni curiosità riguardo ai buchi neri. Questa piccola, breve, serie di tre puntate è servita a dare qualche spiegazione e suggerire spunti a voi lettori. In fondo è per questo che è nato Spazio Curvo. Ma visto che ci avete posto diverse domande, ci sembra giusto provare a fornire qualche risposta.

Un'immagine che ci ha colpito e fatto sorridere è quella proposta da qualcuno di voi, che ha immaginato i buchi neri come dei moderni robot aspirapolvere cosmologici. La domanda è: i buchi neri si muovono nello spazio, aspirando tutto quello che incontrano? La risposta non è così semplice: le definizioni di "essere fermi" o "in movimento" hanno senso solo se definite rispetto a cosa le stiamo valutando. Abbiamo spiegato (leggi qui) che le galassie si muovono nel senso che la loro distanza rispetto a noi sulla Terra aumenta (leggi qui). Bene: ogni galassia ha al centro un buco nero, quindi possiamo dire che il buco nero si muove rispetto a noi. Tuttavia è contornato da miliardi di stelle e corpi celesti che vi orbitano intorno nella classica forma a galassia, quindi è difficile immaginarlo come un robottino. E non ci sono neppure evidenze di buchi neri più piccoli che vanno in giro risucchiando pianeti e stelle.

Nel nostro primo articolo della serie (leggi qui) ci siamo concentrati sull'orizzonte degli eventi: la superficie immateriale che definisce il buco nero. Nel terzo, invece, abbiamo provato a spiegarvi cosa accade all’interno di esso (leggi qui). Alcuni di voi lettori hanno sollevato delle perplessità, in particolare sul fatto che una volta superato l'orizzonte degli eventi, le leggi del moto definite dalla relatività generale continuino a valere indisturbate. "Oltre l'orizzonte degli eventi - avete scritto - si entra in un campo gravitazionale dal quale nulla può più sfuggire e il tessuto spazio-temporale è così fortemente deformato (direi sconvolto) che tutto ciò che viene risucchiato viene successivamente 'spaghettizzato'". Dunque la domanda: come si possono considerare ancora valide le equazioni di moto classiche, se non sappiamo nulla sullo spazio-tempo che esiste oltre l'orizzonte degli eventi? In realtà non succede nulla di veramente speciale all’orizzonte degli eventi. È come nell'esempio che avevamo proposto (leggi qui), nel quale avevamo paragonato l’orizzonte degli eventi alla distanza oltre la quale un nuotatore non riesce più a sfuggire alla forza attrattiva di un vortice, costringendolo a finirci dentro (vedi l'infografica qui sotto). Il malcapitato rimane immerso nell’acqua, e la forza attrattiva del vortice non subisce nessun cambiamento improvviso. Ma è un incremento graduale che porta, ad un certo punto, il nuotatore a non farcela più a scappare. Per il buco nero è la stessa cosa. L’attrazione gravitazionale aumenta in maniera graduale e continua. Aumenta moltissimo, ma senza nessun cambiamento improvviso. Il processo di "spaghettizazione" è un modo molto pittoresco per dire che se fossimo immersi in un campo gravitazionale molto forte, i nostri piedi sarebbero attratti molto più della testa, e saremmo quindi "allungati" come spaghetti. Questo fenomeno non avviene se si passa l'orizzonte degli eventi, bensì può succedere anche fuori, o mentre si supera l’orizzonte. E soprattutto, punto importante per rispondere alla domanda dalla quale siamo partiti, la spaghettizazione è un effetto previsto dalle stesse leggi del moto della relatività generale. In conclusione, da immediatamente di qua a immediatamente di là dall'orizzonte degli eventi non succede veramente nulla di speciale, come nell'esempio del nuotatore.

In un certo senso è il nome "buco" ad essere un po' fuorviante. Affermiamo che c'è un buco in un tavolo, infatti, quando manca del legno in qualche punto, o un buco nel nostro calzino quando manca il tessuto dove toccherebbe l'alluce. Una pallina che rotola sul tavolo cadrà dentro al buco quando non avrà più il materiale legnoso sotto di sé, e si ritroverà per aria. Nel caso dei buchi neri, invece, non c’è nessun cambiamento da qualche materiale (come il legno) ad un altro (come l'aria). Siamo immersi nel vuoto interstellare e rimaniamo immersi in esso.

La stessa risposta vale per chi si è chiesto cosa ci sia tra l'orizzonte degli eventi e la singolarità dove tutto si concentra: c'è lo spazio-tempo, il continuum spazio-temporale. Esattamente come fuori. Molto molto vicino alla singolarità ci aspettiamo che accada qualcosa di nuovo rispetto a quello che dice la relatività generale. Ci aspettiamo che effetti di gravità quantistica modifichino radicalmente la fisica gravitazionale in quelle regioni così estreme, ma siamo ancora lontani dall'avere totale chiarezza sui dettagli.

Un'altra curiosità sorta è questa: se la stella che entra nel buco nero ha una densità infinita, può viaggiare più veloce della luce? No, perché densità infinita significa che è una massa finita concentrata in un volume nullo. Ma comunque ha una massa, quindi non può viaggiare più veloce della luce.

Arriviamo, infine, ai neutrini. Vi siete chiesti qual è l’influenza esercitata dai buchi neri sui neutrini, che qualcuno di voi ha definito "senza massa". In realtà, va detto che i neutrini una massa ce l’hanno, anche se piccolissima. Sono i fotoni a non avere massa, eppure anche loro subiscono l'effetto della gravità. Proprio la deflessione della luce da parte dei pianeti fu una delle prime conferme sperimentali della relatività generale. Quello che succede è che i fotoni, invece di andare dritti, vengono deviati leggermente dal campo gravitazionale del pianeta. E la deviazione dovuta ai pianeti è niente in confronto a quella dovuta al campo gravitazionale di un buco nero. Passando relativamente vicino all’orizzonte degli eventi un fotone può essere catturato e cominciare a orbitare intorno ad esso. La deviazione della luce è un fenomeno che la gravità Newtoniana non riesce a spiegare, visto che il potenziale gravitazionale è proporzionale alla massa e inversamente proporzionale alla distanza. Oggetti di massa nulla, quindi, non "sentono" la gravità proprio come particelle senza carica elettrica non "sentono" un campo elettromagnetico.

La relatività generale corregge questa mancanza della teoria Newtoniana, descrivendo l'attrazione gravitazionale come curvatura dello spazio-tempo. E nello spazio-tempo curvo, anche i fotoni non viaggiano su linee rette.