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?

La nebulosa Helix e la fine gloriosa delle stelle simili al Sole

Queso post è estratto dal mio libro La straordinaria bellezza dell'Universo


La Helix Nebula è la più conosciuta della classe delle nebulose planetarie, tra le più grandi e vicine del nostro cielo. E' chiamata anche occhio di Dio, perché nel cielo scuro sembra un occhio cosmico dal diametro di un anno luce. Osserviamo bene l'immagine. Cosa notiamo? 1) Una stella posta al centro esatto della struttura e 2) la forma tondeggiante, simile ad un anello. La comprensione dei fenomeni dell’Universo passa proprio per questo tipo di osservazioni, magari ripetute per molti altri oggetti reputati simili, fino ad averne in numero sufficiente per rendersi conto che quando una coincidenza isolata tende a trasformarsi in una serie di colpi di fortuna, stiamo per scoprire una comune legge della Natura.  

La nebulosa Helix fotografata dal telescopio Hubble

Il fatto che in tutte le foto di nebulose planetarie che potremo mai osservare ci sia sempre una stella al centro non è una delle tante, sadiche, manifestazioni della legge di Murphy. Quell’astro si chiama nana bianca e rappresenta il nucleo, ormai nudo e inerte ma molto caldo, della gloriosa stella che ha terminato in modo tanto vistoso la sua esistenza.

Le nane bianche sono dei tizzoni ardenti che non producono più energia e rappresentano l’inizio di un mondo fatto di materia che non potremo mai ricreare, per fortuna, qui sulla Terra. Tutte le stelle con massa inferiore alle 8 volte quella del Sole arrivano a un punto in cui il nucleo, luogo in cui avvengono le reazioni di fusione, diventa iper compresso e smette, a causa della poca materia presente, di produrre energia. Dopo aver consumato tutto l'idrogeno e aver bruciato persino l'elio, i singhiozzi del motore centrale, preludio al definitivo spegnimento, innescano l’espulsione di tutti gli strati superiori della stella e generano una nebulosa planetaria. 

Quando con l’ultimo sussulto del motore viene espulso anche l’ultimo strato che sovrasta il nucleo, questo si ritrova nudo e inerte, con una temperatura di decine di milioni di gradi e in rapido raffreddamento. Quando i gas espulsi saranno diventati abbastanza rarefatti si schiuderà ai nostri occhi una nana bianca, un oggetto davvero strano. Quel nucleo stellare è fatto di carbonio e ossigeno, compressi fino a creare un corpo celeste grosso quanto la Terra ma contenente almeno la metà della massa del Sole. Un corpo celeste, non più una stella, sulla cui superficie potremmo sperimentare una forza di gravità centinaia di migliaia di volte superiore a quella terrestre, che emette un’intensa radiazione ultravioletta invisibile ai nostri occhi ma in grado di riscaldare ed eccitare il gas espulso fino a renderlo visibile come una stupenda nebulosa planetaria.

L’atto conclusivo della vita di queste stelle non è quindi rappresentato dalla mesta tristezza per un oggetto che si sta estinguendo, ma è una celebrazione spettacolare di quello che è stato, in un guizzo straordinario di rara bellezza. In qualche centinaio di migliaia di anni il gas espulso sarà già lontano, la nana bianca avrà perso parte della sua potente radiazione ultravioletta e la nebulosa planetaria si spegnerà, sparendo dai nostri cieli per sempre.

La nana bianca continuerà a splendere per decine di miliardi di anni prima di riuscire a raffreddarsi e sparire dalla scena di coloro che osservano l’Universo. La sua trasformazione sarà allora completa: da tizzone ardente di carbonio e ossigeno a un corpo di taglia planetaria in cui tutto il carbonio, sottoposto a pressioni inimmaginabili, sarà cristallizzato per formare il più grande diamante cosmico dell’Universo. Sarà però un tesoro per noi intoccabile, perché ogni tentativo di arraffarlo dovrà fare i conti con una forza di gravità che non lascerebbe scampo e con una concentrazione di materia un po’ diversa da quella che conosciamo. Un cucchiaio di nana bianca, infatti, peserebbe sulla Terra più di 5 tonnellate. Anche un piccolo cristallo da incastonare in un anello dovrebbe trovare un dito capace di reggere senza problemi un centinaio di chilogrammi di pura bellezza. È proprio il caso di dire che guardare è meglio che toccare.

Apollo 13 e un fallimento di grande successo

Con un interesse sempre minore da parte del pubblico, che ormai si era stancato dei “noiosi” viaggi lunari, Apollo 13 decollò l’11 aprile 1970 alle ore 13:13, sfidando tutta una serie di superstizioni che circondano il numero 13 nella cultura anglosassone.

Sfortuna volle, però, che nel mezzo della traversata, durante un normale rimescolamento dei serbatoi di ossigeno, una serpentina difettosa si staccò e produsse una scintilla che fece esplodere uno dei quattro serbatoi, danneggiò seriamente l’altro che in poco tempo si svuotò e costrinse gli altri due alla chiusura forzata.

Il lancio di Apollo 13

È entrata nella storia la comunicazione con cui Jim Lovell avvertì il controllo missione, con voce apparentemente fredda e distaccata, che qualcosa di grave e inaspettato era successo all’astronave: “Ok Houston, abbiamo avuto un problema”.

Ci vollero interminabili minuti per comprendere la gravità della situazione, così imprevedibile che inizialmente si pensò a un errore del computer di bordo. In effetti, cos’altro pensare leggendo improvvisamente sul monitor oltre 30 messaggi d’errore e una presunta quadrupla avaria?

Sfortunatamente non fu così, se non altro perché l’astronave era completamente fuori controllo e gli astronauti a bordo stavano pure osservando dall’oblò del gas incolore uscire dalla parte posteriore del modulo di servizio: il prezioso ossigeno.

La chiusura di tutti i serbatoi di ossigeno lasciò al modulo di comando solamente pochi minuti di aria e causò l’interruzione dell’alimentazione elettrica (che utilizzava proprio l’ossigeno), temporaneamente provvista dalle batterie di emergenza.

In poco tempo Apollo 13 si trasformò in una disperata missione di salvataggio.

Non solo la Luna non si sarebbe potuta raggiungere, ma sarebbe stata una sfida riportare a casa sani e salvi gli uomini a bordo. Con il modulo di comando che sarebbe presto diventato inabitabile, i dati del computer di bordo furono trasferiti in quello del LEM, che diventò una scialuppa di salvataggio.

Per riportare gli astronauti sani e salvi fu deciso di far loro raggiungere l’ormai vicina orbita lunare e accendere il razzo nel lato nascosto della Luna, proprio come nelle normali missioni. Il problema era il motore del modulo di comando: se fosse rimasto danneggiato, la sua accensione avrebbe potuto distruggere l’astronave. Si decise allora di eseguire la manovra utilizzato il LEM e il motore che doveva scendere sulla Luna. Ma un’operazione del genere non era mai stata tentata fino a quel momento e non si era sicuri dell’esito positivo. Tutto questo, inoltre, sarebbe avvenuto durante il black-out delle comunicazioni che si verifica quando la Luna si frappone tra l’astronave e la Terra. Fortunatamente la manovra riuscì, ma i problemi di Apollo 13 non erano di certo finiti.

Con la poca alimentazione elettrica del LEM, gli astronauti furono costretti a spegnere tutti i sistemi non essenziali, tra cui l’impianto di riscaldamento, passando interminabili giorni con temperature di alcuni gradi sotto lo zero.

Il LEM, inoltre, era stato progettato per ospitare due astronauti per due giorni, ora invece ve ne erano da mantenere in vita tre per quattro giorni.

Uno dei problemi principali fu rappresentato dai filtri per lo smaltimento dell’anidride carbonica, che non erano sufficienti per tre persone. Quelli del modulo di comando non potevano essere adattati al LEM perché di forma diversa.

I tecnici a Terra trovarono una soluzione spartana ma efficace per l’adattamento, utilizzando nastro adesivo, bustine di plastica e un calzino, tutti i pochi materiali a disposizione degli astronauti nell’astronave Apollo.

Seguendo passo passo le istruzioni comunicate in tempo reale, gli astronauti riuscirono ad adattare i filtri ed evitare una fine scontata e ormai prossima.

Un altro momento delicato fu la correzione di traiettoria che si rese necessaria a circa metà della traversata. Senza l’aiuto del computer di navigazione che avrebbe consumato le ultime risorse energetiche rimaste, gli astronauti dovevano accendere per 36 secondi il motore del LEM e pilotare manualmente l’astronave, prendendo come riferimento la Terra visibile in uno degli oblò.

Se gli astronauti non fossero riusciti a mantenere la rotta, non avrebbero mai più fatto ritorno a casa e niente e nessuno li avrebbe potuti soccorrere.

Se volare manualmente nello spazio senza possibilità di sbagliare non fosse già abbastanza rischioso, la situazione era resa ancora più pesante e incerta dal fatto che i motori del LEM non erano stati mai testati per una seconda accensione. Si sarebbero quindi riaccesi? Avrebbero resistito a un nuovo e forte sollecito, dopo il già grande stress a cui erano stati sottoposti per abbandonare l’orbita lunare? Fortunatamente anche questa manovra riuscì tra la tensione degli astronauti e l’apprensione dei tecnici del controllo missione. Il piccolo LEM Acquarius si era dimostrato più resistente e affidabile di quanto pensassero gli stessi ingegneri che lo avevano costruito.

Superata con successo questa delicata manovra, l’astronave Apollo sarebbe di certo tornata sulla Terra, ma le incognite in merito alla reale sopravvivenza degli astronauti erano ancora numerose. Lo scudo termico del modulo di comando, estremamente delicato e così vicino al luogo dell’esplosione, era stato danneggiato? Le batterie di rilascio dei paracadute, necessarie per frenare la discesa, erano ancora cariche dopo i giorni passati a diversi gradi sotto zero?

La condensa all’interno del modulo di comando avrebbe mandato in corpo circuito tutto il sistema, una volta riattivato per le operazioni di rientro in atmosfera?

Trovare risposta a tutti questi interrogativi non era comunque utile, poiché nessuno avrebbe potuto intervenire per sistemare il problema.

I tecnici del controllo missione cercarono di rincuorare gli astronauti e scelsero di non comunicare tutte le variabili che rendevano piuttosto incerta la loro sopravvivenza.

Il modulo di servizio di Apollo 13 semi distrutto dall'esplosione, dopo essere stato sganciato poco prima del rientro in atmosfera.

Con l’ingresso nell’atmosfera terrestre a decine di migliaia di chilometri l’ora, le comunicazioni tra il modulo di comando e i tecnici si interruppero, come previsto. In queste delicate fasi, il forte disturbo dell’atmosfera terrestre, che riscalda lo scudo termico fino a oltre 1500°C, rende impossibile per circa 3 minuti ogni comunicazione radio. L’ansia e la preoccupazione dei tecnici seduti su quelle sedie diventate scomode raggiunsero livelli altissimi quando alla fine del previsto silenzio radio tutti i tentativi di contattare l’astronave fallirono. Nessuna missione aveva avuto un blackout radio per più di tre minuti.

Quando il silenzio arrivò a ben cinque minuti, molti ormai pensarono al peggio. L’astronave era stata disintegrata nel rientro in atmosfera?

Una flebile speranza cominciò ad accendersi quando gli uomini addetti al recupero avvistarono il modulo di comando, che lentamente scendeva con i paracadute spiegati. Purtroppo, ancora nessun segnale radio proveniva dall’abitacolo della capsula Odyssey che sembrava scendere quasi a tempo di una tristissima marcia funebre. Ma dopo oltre sei interminabili minuti di silenzio, finalmente il saluto del capitano Lovell interruppe l’angoscia della sala di controllo e la litania dell’addetto alle comunicazioni che cercava ancora di mettersi in contatto con l’astronave, ripetendo sempre la stessa frase ormai quasi priva di speranza.

Un applauso scrosciante salutò il tuffo del modulo di comando Odyssey nell’Oceano Pacifico, ponendo fine all’avventura più pericolosa della storia dell’astronautica.

La missione Apollo 13 fu l’unica a fallire l’allunaggio, ma i tecnici della NASA la definirono un fallimento di grande successo.

Per approfondire: 

https://www.space.com/29078-how-apollo-13-moon-accident-worked-infographic.html