Sono neri ma possono essere brillantissimi: spieghiamo questa apparente contraddizione sui buchi neri

Sembrerebbe una contraddizione: se sono neri come possono essere tra gli oggetti più brillanti in una galassia. In effetti non vi è nessuna contraddizione. Il buco nero è effettivamente nero. Ciò che brilla gli si trova attorno.

La forza di gravità è una delle forze presenti in natura: è la forza con cui la massa attrae altra massa ed è tanto più intensa quanto maggiore è la massa in gioco. Se poi una grande massa risulta concentrata in un piccolo volume, quindi con densità elevatissime, questa non solo attira a sé altri oggetti ma, in casi estremi, riesce ad attirare a sé anche la luce da essa stessa emessa.

Il buco nero: cos'è?

Si tratta di un’espressione molto suggestiva, tanto da riuscire a suscitare interesse più di qualsiasi altro oggetto o fenomeno astronomico.

Sembra che la domanda sui buchi neri rimanga la domanda più frequentemente fatta agli astronomi da parte dei non astronomi.

Dietro questa espressione suggestiva ci sta una stella tecnicamente ‘morta’, esattamente una stella di neutroni.

La stella di neutroni è il residuo di una delle più violente esplosioni che avvengono nell'universo, cioè l’esplosione di supernova. L’onda d’urto prodotta dall'esplosione espelle via gli strati esterni della stella, nel contempo il collasso degli strati interni è tale che l'interazione tra protoni ed elettroni generi neutroni (e neutrini).

Ne risulta un oggetto ultracompatto formato solo di neutroni, in rapidissima rotazione, e con una densità tale da sviluppare una forza di gravità così incredibile da non permettere alla radiazione elettromagnetica (quindi alla luce) di abbandonare la superficie della stella. Ciò che non emette luce risulta nero, da cui l’espressione buco nero.

La parte infelice della suggestiva espressione buco nero è il “buco”. Non c’è nessun buco, ma un oggetto supermassiccio invisibile. Ritorniamo allora alla domanda iniziale. Se è invisibile, come mai il buco nero risulta essere l’oggetto più brillante della galassia in cui esso si trova?

Una ciambella brillante attorno al buco

Il buco nero esercita un’incredibile forza di gravità su tutto ciò che lo circonda, attraendolo a sé. Gas, polveri, stelle in prossimità di un buco nero vengono prima lentamente poi sempre più rapidamente attratte verso il buco nero. Considerando che i buchi neri sono spesso nelle regioni galattiche più ricche di polvere, gas e stelle, non è affatto poca la massa totale che viene messa in moto verso un buco nero.

La materia attratta dalla gravità del buco nero non vi precipita dentro in modo diretto, ma approssimandosi al buco inizia a spiraleggiare attorno formano un vero e proprio disco che ruota attorno. Questo viene chiamato disco di accrescimento in quanto la sua massa, precipitando nel buco, via via ne accresce la massa.

La materia nel disco di accrescimento si surriscalda, emette radiazione su un vasto intervallo di lunghezze d’onda, rendendosi brillante.

ll buco rimane nero, ciò che brilla (fino a luminosità confrontabili con quelle dell’intera galassia) è il suo disco di accrescimento.

A seconda di cosa arrivi nel disco la luminosità può anche variare. Quindi il buco divora materia, diventando sempre più massiccio, dopo un passaggio della stessa materia attraverso la fase di disco. È proprio la brillantezza del disco che generalmente svela l’esistenza del buco nero.

La luminosità delle stelle dipende dalla loro massa, maggiore la massa maggiore la loro luminosità. Misurando la luminosità è quindi possibile stimare la massa di una stella. Si ritiene che la massa di una stella non possa superare circa le 500 masse solari. Quando si osserva un oggetto la cui luminosità corrisponde a milioni o miliardi di masse solari ciò suggerisce che non possa essere una stella piuttosto si tratti di un buco nero.

Buchi neri dormienti

Ma esistono anche buchi neri che, trovandosi in regioni povere di materia (sia essa gas, polveri, o stelle) sono privi di disco di accrescimento e quindi non brillano. Questi vengono chiamati “dormienti”. La loro identificazione è più difficile. Solo il lento movimento delle stelle attorno ad esso, per attrazione gravitazionale (ma non sufficiente ad attirarle a se) ne può svelare “indirettamente” l’esistenza.

La foto di copertina è una delle più accreditate rappresentazioni artistiche di come apparirebbe un buco nero se fosse sufficientemente vicino da potersi osservare con elevata risoluzione spaziale.

Al centro c’è la stella di neutroni invisibile ed attorno il brillante disco di accrescimento nel quale finisce la materia catturata dalla gravità, surriscaldata e poi precipitata sulla stella di neutroni.

Recentemente, il telescopio XRISM dell'agenzia aerospaziale giapponese ha osservato nella banda dei raggi X il buco nero supermassiccio nella galassia NGC4151, riuscendo a misurane con estremo dettaglio la struttura del disco di accrescimento, il movimento di rotazione e la temperatura.