Carlo Rovelli L’attrazione fatale delle stelle

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il Sole 24 Ore – Domenica 10 agosto 2014

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I buchi neri in tre puntate

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 L’attrazione fatale delle stelle

Sono decine di milioni gli astri simili a Cigno X-i, oggetti galattici capaci di ingoiare tutto. Nel 1916 apparvero la prima volta come ipotesi matematica

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Carlo Rovelli

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Oggi, io agosto, è la notte di San Lorenzo: il  momento migliore per osservare il cielo e vedere le stelle cadenti. Guardare il cielo è sempre stata, per gli uomini, la sorgente più spettacolare di sapere e di meraviglia. La scienza moderna è radicata nell’osservazione del cielo, e nel cielo abbiamo continuato a scoprire cose che ci stupiscono. Oggi gli oggetti più stupefacenti e misteriosi che vediamo nell’universo sono certamente i buchi neri. Gli astronomi ne osservano innumerevoli e di diverso tipo. Lo sforzo per riconoscere la loro natura ha proceduto a tentoni, fra errori e confusioni, e ancora oggi queste “strane stelle” hanno aspetti che sfidano la nostra immaginazione. La strada per comprenderli, ancora in corso, è un esempio bello del lento avanzare verso la comprensione della realtà, con gli occhi fissi verso il cielo, che è la fisica fondamentale. Carlo Rovelli ce la racconta, in tre puntate. Ecco la prima.

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Novantanove anni fa, mentre l’Euro­pa si lanciava baldanzosa verso la sua catastrofica ecatombe, un Al­bert Einstein trentaseienne invia­va a una rivista scientifica l’artico­lo con le equazioni finali della rela­tività generale, certo non sospettando quanti e qua­li straordinari aspetti del mondo queste avrebbero svelato. Le equazioni erano complicate e Einstein non si aspettava di poterne trovare soluzioni esatte. Invece, solo poche settimane dopo, nel gennaio del 1916, Einstein riceve una lettera da un tenente d’arti­glieria dell’esercito tedesco. «Come vedrete, la guer­ra è stata abbastanza indulgente da autorizzarmi, nonostante il fuoco delle mitraglie, una escursione nel territorio delle vostre idee». Così gli scriveva Karl Schwarzschild annunciandogli che aveva tro­vato una soluzione esatta delle sue equazioni. Quat­tro mesi dopo, Karl Schwarzschild muore per una malattia contratta sul fronte russo.

La soluzione di Schwarzschild descrive l’attrazio­ne di una massa sferica, come la Terra o una stella. Se la massa è abbastanza estesa, questa è esatta­mente la forza di gravità descritta da Newton tre secoli prima e che abbiamo tutti studiato a scuola. Ma se la massa è più concentrata, la forza descritta dalle equazioni di Einstein è più intensa della forza di Newton, e ha come effetto di rallentare gli orolo­gi. Ma c’è qualcosa di strano nella soluzione trovata da Karl Schwarzschild: se la massa è estremamen­te concentrata, esiste una superficie dove qualun­que orologio si fermerebbe. Dove il tempo smetterebbe di passare. Che significa?

Einstein prende subito una delle sue (numerose) cantonate sostenendo che questa superficie, chia­mata oggi la «superficie di Schwarzschild», o «la su­perficie del buco nero», sia comunque irraggiungi­bile. Scrive addirittura un articolo (sbagliato) per so­stenere che non ci possono essere oggetti descritti dalla soluzione di Schwarzschild. Gli altri teorici non sono da meno, e molte sciocchezze vengono dette e scritte. Per capire cosa davvero succede al «raggio di Schwarzschild» si sono dovuti attendere gli anni sessanta quando matematici e fisici comin­ciano a sbrogliare la matassa e comprendono che la «superficie di Schwarzschild» non è per nulla un limite invalicabile. Anzi, lo si può attraversare sen­za alcuna difficoltà. Invece, è il limite della regione dove la gravità è così forte che nulla, neppure la lu­ce, può più uscire. John Wheeler, maestro nell’uso delle parole, trova subito il nome fortunato per que­sto fenomeno: buco nero. Un buco nero è una mas­sa così compatta, così schiacciata su sé stessa che nulla può più scappare dalla sua tremenda forza di attrazione, neppure la luce. Un raggio di luce sulla sua superficie, resta lì, senza muoversi, senza riusci­re a uscire, congelato. Niente esce da un buco nero, tutto può entrarvi.

La questione tuttavia sembrava più accademica che scientifica, perché affinché esista questa «su­perficie di Schwarzschild» bisogna avere una mas­sa davvero esageratamente compatta. Per esempio dovremmo comprimere l’intera massa della Terra dentro una biglia di un centimetro, prima che diven­ti un buco nero. Non ci possono essere cose così compresse nell’universo, non si può mica schiaccia­re l’intero pianeta Terra dentro una pallina da ping pong!… così almeno sembrava chiaro a tutti. Anco­ra quando ho studiato la relatività generale all’uni­versità verso la fine degli anni settanta, il capitolo del libro sui buchi neri sosteneva che questi fossero una curiosità matematica e nient’altro. Strane solu­zioni delle equazioni di Einstein, così diceva il mio libro di testo, «ma non c’è nulla di simile nel nostro mondo reale».

Si sbagliava. Come spesso si sbagliano i libri di testo. Già nel 1972, un oggetto molto compatto e oscuro nella costellazione del Cigno suscita la curio­sità degli astronomi. Viene chiamato Cigno X-i. Un’altra stella gli ruota intorno molto veloce. Un bu­co nero, dirà John Wheeler, è come un uomo vestito di nero che balla il valzer in una sala poco illumina­ta con una dama vestita di bianco. Sappiamo che c’è solo perché vediamo una stella chiara volteggiargli intorno. Gli astronomi si concentrano su Cigno X-i. Riescono ad osservare la luce della materia che si incendia spiraleggiandogli intorno sempre più vici­na, per poi scomparire inghiottita dal nulla. Ben pre­sto si vedono altri oggetti simili nel cielo. Tutte le altre spiegazioni diventano via via sempre meno plausibili. La conclusione alla fine è inevitabile: il cielo è pieno di buchi neri. Oggi si stima che solo nella nostra galassia ci siano diverse decine di milio­ni di buchi neri simili a Cigno X-i.

Ma c’è di più. Già dai primi anni trenta si sapeva che le comunicazioni transatlantiche erano disturba­te da una strana sorgente di onde radio. Nel 1974 ci si rende conto che la sorgente di queste onde è fuori dalla Terra: le onde vengono dalla costellazione del Sagittario, dal centro della nostra galassia. Le osser­vazioni si concentrano su questa sorgente, chiamata Sagittarius A*, e pian piano emerge qualcosa di im­pressionante: nel centro della nostra galassia c’è un buco nero immenso. La sua massa è un milione di volte quella del Sole. Gli ruotano intorno molte stel­le. Ogni tanto qualcuna di queste si avvicina troppo a questo mostruoso Polifemo galattico e l’intera stella viene ingoiata come fosse un pesciolino.

Oggi gli astronomi stanno mettendo a punto una rete di grandi antenne radio, estesa dall’Artico all’Antartico lungo le Montagne Rocciose e le Ande, che dovrebbe riuscire presto a “vedere” la superfi­cie ribollente del mostro, dove si accalcano stelle, polvere galattica e detriti di ogni genere, vortican­do furiosamente in un tumulto infernale prima di precipitare nel pozzo nero e senza fondo.

Simili buchi neri giganteschi sono stati osserva­ti nel centro di quasi tutte le galassie. Alcuni di que­sti sono oggetti furenti, che divorano enormi quan­tità di stelle a gas interstellare in continuazione, la materia che vi precipita ribolle violentemente rag­giungendo temperature di milioni di gradi, produ­cendo raggi di energia gigantesca, che illuminano gli spazi intergalattici. Gli eventi più violenti che osserviamo nell’universo, come i segnali intensi e misteriosi che nel passato erano chiamati quasar, sono prodotti da questi titani, talvolta luminosi co­me un’intera galassia di cento miliardi di stelle. Po­tete immaginare una tempesta galattica prodotta da un mostro grande un miliardo di volte il Sole che si dibatte?

E questo non è che l’inizio della fantastica storia dei buchi neri… Il resto ve lo racconto le prossime due settimane.

[1- continua]

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 I buchi neri in tre puntate/2: Il calore naturale del nulla  Il Sole 24 Ore domenica 17 agosto 2014

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I buchi neri in tre puntate/3: Il mistero del centro  Il Sole 24 Ore domenica 24 agosto 2014

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