L'incredibile potenza dei lampi di raggi gamma

Le stelle con una massa superiore a 25 volte quella del Sole, alla fine della loro vita si ritrovano con un nucleo di ferro che può diventare così massiccio da formare un buco nero. Questo non avviene però subito. In effetti, al momento dell’esplosione come supernova, il nucleo di ferro è ancora una stella di neutroni. Il buco nero si creerà poco dopo, quando pezzi di stella ricadranno sulla stella di neutroni appena nata e la trasformeranno in un buco nero.

Distribuzione dei lampi di raggi gamma in otto anni di osservazioni

Quando a esplodere sono le stelle più massicce dell’Universo, oltre 40 volte più del Sole, le cose sono molto più violente e veloci. Il nucleo di ferro che sta per dare il via all’esplosione diventa così grande che il buco nero si forma poco prima che la stella esploda. E qui le cose si fanno serie. Un buco nero, infatti, quando attorno a sé trova così tanta materia non si fa di certo scrupoli e inizia a divorarla. La stella ancora non è esplosa ma continua a comprimersi verso il centro, là dove l’aspetta il buco nero appena nato.

Un motore di tale portata nel cuore di una stella con così tanta materia, sebbene di massa molto più piccola di quelli che troviamo nel centro delle galassie, è una potentissima bomba che sta per innescarsi. In brevissimo tempo parte di questa energia viene rilasciata in modo molto particolare.

Dai poli del buco nero, poco sopra l’orizzonte degli eventi, vengono emessi due potentissimi fasci laser di raggi gamma, il tipo di “luce” più energetico e pericoloso. Questo fascio laser dura pochi minuti ma trapassa la stella morente e si propaga nello spazio trasportando una quantità di energia che il Sole produrrebbe in qualche miliardo di anni. È un fenomeno simile a quello che viene osservato per i quasar, solo che in questo caso la durata è molto minore ma la potenza irradiata molto superiore a quella dei quasar. In pochi secondi una quantità di energia pari o superiore a un’intera massa solare, 100 volte maggiore di quella di Giove, decine di migliaia di volte quella del nostro pianeta, viene convertita in pura energia sotto forma di potentissimi raggi gamma. È il motore più efficiente che conosciamo nell’Universo e anche il più ingordo. I potentissimi raggi gamma viaggiano alla velocità della luce per tutto l’Universo, risplendendo per 10 e più miliardi di anni. Non c’è in effetti posto nel Cosmo abbastanza lontano da oscurare la luce di questi brevi impulsi, se questi puntano dritti verso di noi.

Se un raggio laser di questo tipo si generasse nella nostra galassia, a meno di 10 mila anni luce dalla Terra, e fosse indirizzato proprio verso di noi farebbe una potentissima radiografia al pianeta, spazzando via gran parte dell’atmosfera, cancellando molte forme di vita in pochi secondi e molte altre nei mesi successivi, a causa degli enormi danni causati all’ambiente. Se un lampo gamma si verificasse a meno di 1000 anni luce di distanza sarebbe in grado di cuocere il pianeta: l’aria diverrebbe di fuoco, gli oceani bollirebbero, il suolo si scioglierebbe e non ci sarebbe scampo quasi per nessun essere vivente. Sembra fantascienza, ma in realtà si pensa che qualcosa di simile sia già accaduto circa 450 milioni di anni fa. In quella lontana era oltre l’80% della vita sulla Terra venne cancellata quasi all’istante, forse proprio a causa di un potente lampo di raggi gamma che colpì il pianeta e lo rese quasi del tutto sterile.

I lampi di raggi gamma più lontani e deboli non si vedono dalla superficie della Terra perché la nostra atmosfera blocca queste pericolose radiazioni e anche se non lo facesse i nostri occhi non potrebbero vedere questo tipo di luce, ma solo sentirne gli effetti poco piacevoli.

Quando alla fine degli anni 90 i primi telescopi orbitanti a raggi gamma vennero lanciati per osservare meglio questi strani fenomeni, si scoprì qualcosa di sorprendente: di lampi di raggi gamma ce ne sono ogni giorno, tutti i giorni, in ogni parte del cielo. La vista attraverso la potentissima radiazione gamma rivela un lato ancora più violento e angosciante dell’Universo. In ogni angolo dello spazio una stella di enormi dimensioni decide di terminare la vita in questo modo e illuminare tutto lo spazio. I lampi che noi possiamo ricevere rappresentano solo una minima parte, forse il 10% di quelli che si verificano nella realtà, perché possiamo vedere solo quelli che hanno il fascio puntato verso di noi. Ecco la dimostrazione più impressionante che l’Universo non è solo un luogo statico e noioso, troppo lento per la nostra vita. L’Universo è l’unione perfetta dell’infinitamente grande e dell’infinitamente piccolo e in questo caso all’infinita potenza dei lampi di raggi gamma si associa l’infinitamente breve tempo in cui questi vengono generati, prima di scomparire per sempre dalla faccia del Cosmo.

Tutti i lampi gamma osservati fino a ora provengono però da galassie lontanissime, più di 8 miliardi di anni luce, ed è per questo motivo che non hanno causato mai alcun danno. Le stelle tanto massicce da generare un lampo gamma sono infatti molto rare. Si pensa che in una galassia normale ne esploda una ogni 100 mila anni. È questo il motivo per cui i lampi li vediamo sempre lontani, perché più guardiamo lontano nello spazio più galassie troviamo nel cielo.

Possiamo allora tirare un sospiro di sollievo: la rarità di questi fucili cosmici, nonché la necessità che debbano puntare la loro canna verso di noi per farci del male, rende molto difficile il verificarsi di un evento di tale, distruttiva, portata. Certo, è forse già successo in passato che la Terra venisse colpita da un raggio gamma molto vicino, quindi potrebbe accadere di nuovo, ma tanto per evitarlo non potremmo fare proprio nulla.

I raggi gamma sono radiazione elettromagnetica molto violenta e come tale viaggiano proprio alla velocità della luce. Non c’è quindi modo di prevedere il loro arrivo, perché quando vediamo che qualcosa di strano sta accadendo in direzione di una stella vuol dire che stiamo già per ricevere, entro pochi secondi, la parte più potente del fascio laser di raggi gamma. Non c’è comunque motivo per cui preoccuparsi. Al momento c’è solo una stella entro 10 mila anni luce di distanza in grado di produrre (forse) un lampo gamma alla fine della propria vita, ma per fortuna non sembra che la canna del suo fucile sia puntata nella nostra direzione. Mettiamo quindi da parte un po’ di paura, che forse ci è venuta, e cerchiamo di trovare uno spunto positivo anche in questo inquietante scenario.

Non c’è dubbio che la vita sulla Terra sia qualcosa di molto fragile, se rapportata ai pericoli e alle energie dello spazio. Ben più grandi dei problemi e dei rischi che affrontiamo ogni giorno, come attraversare una strada trafficata, alcuni eventi cosmici potrebbero spazzarci via anche tra dieci secondi, senza avvisarci. E allora, invece di preoccuparci, perché tanto per molti non potremmo mai farci nulla, cerchiamo di vivere al massimo ogni giorno che l’Universo ci concede in sua compagnia. Ogni ora, ogni minuto, ogni secondo della nostra vita è importantissimo e preziosissimo; viviamolo e apprezziamolo al massimo senza sprecarne mai neanche un briciolo. Viviamo troppo poco tempo per poterci permettere di aver paura.

Genesi e proprietà dei buchi neri

Quando le stelle 25 volte più massicce del Sole arrivano al termine della loro vita, dopo appena pochi milioni di anni, esplodono come delle potentissime supernovae. Contrariamente di quello che accade a tutti gli astri più massicci di 8 volte la massa del Sole, però, ciò che resta dopo l'esplosione come supernova non è un oggetto compattissimo fatto di neutroni e chiamato stella di neutroni, ma qualcosa di molto più peculiare. In queste circostanze ancora più estreme la forza di gravità è così intensa che supera persino la resistenza fatta dai neutroni. La stella di neutroni, quindi, non può essere stabile e non c’è più nulla, davvero nulla, che possa contrapporsi alla straripante energia di compressione della gravità.

La materia del nucleo, inizialmente composto quasi del tutto da ferro, implode all’infinito, forse in un punto (possibile?), e si forma una zona oscura e inquietante chiamata buco nero. È un po’ come disporre di una forza nelle nostre mani che ci consenta di comprimere qualsiasi oggetto fino a farlo diventare un punto così piccolo da risultare invisibile; più piccolo, forse, di un atomo, fino a quasi farlo sparire, ma non a far scomparire i suoi effetti. Qui le cose si complicano e non di poco. Ma non possiamo arrenderci alla prima difficoltà concettuale, anche perché questa sarà solo la prima di una lunga serie.

Un buco nero è composto da materia così compressa che la forza di gravità che produce nelle vicinanze è così intensa che nemmeno la luce riesce a sfuggirvi. E poiché la luce è ciò che viaggia più veloce nell’Universo, dall’interno di un buco nero non può e non potrà mai uscire nulla, nessuna informazione. Ecco perché un buco nero ci appare del tutto nero. Lì dentro potrebbe esserci qualsiasi cosa, persino un altro Universo, una nuova classe di stelle o alcuni personaggi dei nostri fumetti preferiti… Non importa, tanto noi non li vedremo mai.

Ogni buco nero non è un oggetto materiale; i confini sono determinati da una regione detta orizzonte degli eventi. Da qui in poi non si vede più nulla. L’orizzonte degli eventi è infatti la regione entro cui la forza di gravità della materia collassata, in chissà quale forma, diventa così intensa che la luce all’interno non può più uscirne e tutta quella che vi entra resterà intrappolata per sempre. E allora nessuno sa cos’è un buco nero e nemmeno cosa ci sia dentro. La regione che vediamo nera non corrisponde alla posizione di un oggetto: non c’è nessuna barriera nera, nessuna porta, è solo apparenza. Con molta probabilità se ci avvicinassimo a questa regione oscura potremmo attraversarla perché non troveremmo alcun ostacolo, anzi, ne saremmo attratti a causa dell’enorme forza di gravità.

C'è ma non si vede: il buco nero al centro della Via Lattea

La materia, l’ex nucleo di ferro che ha generato il buco nero, si trova in una regione molto più piccola e ben all’interno dell’orizzonte degli eventi. Nessuno riuscirà mai a vederlo, né saprà mai in che stato si trova. Qualche scienziato pensa addirittura che all’interno ci sia una specie di strappo dell’Universo. Il nucleo di ferro è collassato in un punto così denso e pesante da aver strappato lo spazio, come una persona un po’ cicciotta che salta su un tappeto elastico e a un certo punto lo strappa sprofondandoci dentro. Altri pensano che questo strappo possa essere una specie di collegamento con un’altra parte, lontanissima, dell’Universo, ma questa è più fantascienza che scienza. L’unica cosa che possiamo dire con un po’ di sicurezza è che un buco nero è una cosa molto strana, persino per l’Universo, che quasi sembra voler nascondere alla vista qualcosa che non sa spiegarsi, che quasi non dovrebbe esistere.

Se un giorno qualcuno dovesse attraversare la superficie immaginaria di un buco nero, questo orizzonte degli eventi, e riuscisse a sopravvivere e scoprisse cosa c’è lì dentro, non potrebbe comunicarlo a nessuno. Non potrebbe tornare indietro e non potrebbe nemmeno chiamare casa, perché le onde radio che servono per comunicare sono un altro tipo di luce e viaggiano alla stessa velocità, quindi anche loro rimarranno intrappolate dall’incredibile forza di gravità di questa zona. Nessuno in effetti può concepire l’interno di un buco nero, è un limite della nostra mente. Persino gli astronomi più bravi rinunciano a immaginarselo perché è impossibile immaginare qualcosa che non si è mai visto e non si potrà mai vedere, e che con tutta probabilità non somiglia a niente che possiamo osservare qui fuori.

Prima di chiudere questo post, che so già avrà generato molto interesse e tantissime domande, rispondo a quella che penso sia la questione più delicata. Forse ci è capitato di vedere in tv trasmissioni o film che ci hanno raccontato che un buco nero mangia qualsiasi cosa e potrebbe persino divorare la Terra e l’intero Sistema Solare. Non c’è niente di più sbagliato e lo possiamo capire con le nostre stesse forze.

Ragioniamo insieme. Un buco nero che si genera da una stella molto massiccia conterrà una quantità di materia che al massimo è uguale a quella della stella da cui si è generato. Anzi, poiché un buco nero si origina dal collasso del nucleo, la sua massa sarà molto inferiore a quella della stella stessa. Ora, la forza di gravità esercitata da un corpo sferico dipende solo da quanta materia questo contiene e da quanto vicino possiamo arrivare alla superficie. E allora un buco nero che contiene materia pari a 20 masse solari e una stella di 20 masse solari produrranno, alla stessa distanza, la medesima forza di gravità. La grande differenza è che una stella di 20 masse solari è molto estesa, milioni di chilometri, quindi la forza sarà massima quando arriveremo sulla sua superficie e mano a mano che andremo verso il centro, visto che incontreremo sempre meno materia, diminuirà. Un buco nero, invece, è un oggetto molto più concentrato. A milioni di chilometri di distanza produrrà la stessa forza di gravità di una stella con la stessa quantità di materia. In questo caso, però, a un buco nero possiamo avvicinarci moltissimo, al contrario della stella, che ci blocca quando arriviamo alla fotosfera, ancora a milioni di chilometri dal centro. È in queste condizioni, allora, che la forza di gravità diventa molto più intensa.

Un buco nero contenente 20 masse solari ha una dimensione di pochi chilometri, quindi se ci avvicinassimo senza trovare ostacoli e arrivassimo in prossimità del confine potremmo venir intrappolati dalla forza di gravità, che è enorme per piccole distanze. Non è vero che un buco nero mangia qualsiasi cosa che gli orbiti intorno: mangerà solo quella materia che in modo molto incauto gli si avvicinerà troppo. In realtà, poiché una stella contenente la stessa materia è milioni di volte più estesa di un buco nero, è molto più probabile che qualcosa impatti sulla superficie di questa stella, visto quanto è grande, rispetto a venir mangiata dal piccolo mostro al quale si dovrebbe avvicinare fino a poche migliaia di chilometri. Se al posto del Sole ci fosse un buco nero di uguale massa il moto dei pianeti non cambierebbe affatto. Anche questo, forse, è sorprendente.

Non siamo ancora convinti da questi ragionamenti teorici? Convinciamoci allora con questo fatto. Al centro della Via Lattea c'è un “mostro” contenente 4 milioni di volte la massa del Sole in un raggio inferiore all’orbita di Mercurio. E' un buco nero supermassiccio che non si è generato dal semplice collasso di una stella, eppure, nonostante la sua enorme massa, tutte le stelle ruotano con ordine attorno a questo perno centrale. Alcune lo fanno da 13 miliardi di anni; altre, come il Sole e quindi la Terra, da 4,6 miliardi di anni. Dopo questo enorme intervallo di tempo tutte sono ancora vive e vegete. Solo quelle che si sono avvicinate a meno di mezzo anno luce sono forse state mangiate, ma noi, a 26 mila anni luce dal centro, di certo non correremo mai questo rischio. Basta allora il fatto di orbitare davvero attorno a un enorme buco nero per convincerci che questi a grandi distanze sono del tutto innocui?