Ierofanie cosmiche

E’ la sindrome di Stendhal che il firmamento esercita su di noi al pari e più di un’opera d’arte. E l’universo è il museo in cui possiamo ammirare la Creazione

Elisa Cali

di Elisa Cali | 4 Giugno 2019

Nell’intervento precedente avevamo cominciato a descrivere le fasi dell’evoluzione stellare, seguendo l’onda emotiva montata dopo la famosa “foto” del buco nero, proponendoci di tornare ancora una volta su quest’argomento che coinvolge conoscenze fisiche e astronomiche complesse e in continua evoluzione.  E’ impossibile non venire ipnotizzati dall’immagine di quel gigantesco occhio il cui iride fiammeggiante va sotto il nome di “orizzonte degli eventi”, vale a dire una zona dello spazio-tempo in cui è impossibile osservare ciò che accade. Sembra davvero, come osserva Alessandro Davenia, una  ierofania. Dopotutto l’umanità “legge le stelle” con intenti divinatori da migliaia di anni. Alzi la mano chi, anche solo per farsi due risate con gli amici, non ha mai dato una sbirciatina all’oroscopo! E nelle stelle c’è scritto davvero da dove veniamo, sebbene con un significato molto differente da quello astrologico. Abbiamo già capito che una stella muore dando alla luce un buco nero.

Come promesso la volta scorsa, dobbiamo introdurre due concetti importantissimi: il raggio di Schwarzschilde l’Orizzonte degli eventi. Innanzitutto una piccola nota storica.  Stiamo parlando di uno dei fisici matematici più geniali della storia, dalla vita avventurosa e travagliata. Nato nel 1873, conseguì il dottorato nel 1896, dopo aver già pubblicato due lavori molto importanti a soli 16 anni. Divenuto professore universitario, lavorò con Minkowski e Hilbert e in breve ottenne l’incarico più prestigioso per uno scienziato tedesco di quei tempi: la direzione dell’Osservatorio Astrofisico di Postdam. Nel 1914 scoppiò la guerra e Karl Schwarzschild, ebreo, volle dimostrare il suo attaccamento alla Germania e partì volontario per il fronte. In quanto esperto di balistica venne spedito sul fronte orientale, dove si ammalò gravemente. Fu proprio in un ospedale da campo, sotto i colpi dell’artiglieria nemica, che mise su carta le sue idee rivoluzionarie. Per passare il tempo infatti Karl si mise a leggere la teoria di Einstein sulla Relatività Generale che era stata appena pubblicata e trovò subito una soluzione per quelle equazioni in modo da mettere in luce, si fa per dire, i buchi neri. Scrisse subito a Einstein, inviandogli i suoi calcoli e dicendo: “Come vedete la guerra mi ha trattato abbastanza gentilmente, permettendomi di stare lontano dal fuoco diretto e lasciandomi libero di percorrere questo sentiero nella terra delle vostre idee”. Ed è poetico pensare che dal più improbabile e crudele degli scenari, questo piccolo tenente di artiglieria tedesco coi baffi a manubrio, abbia avuto l’intuizione per sollevarsi dal pantano di una trincea fino alle comprensione dell’universo. Morì sei mesi dopo, inconsapevole di quanto avrebbe rivoluzionato la scienza. A capirlo fu probabilmente solo Albert Einstein, che attraverso le sue equazioni sulla relatività generale, aveva ipotizzato l’esistenza dei buchi neri, ma non avrebbe mai sperato di vederne uno immortalato come è oggi avvenuto.

Karl in pratica esaminò e descrisse la geometria di uno spazio-tempo all’interno e all’esterno di un corpo sferico che non si muove, non possiede carica, non ruota e non è assolutamente influenzato da azioni esterne. Uno scenario del tutto ideale. Tuttavia, il modello permette di approssimare in modo quasi perfetto molti oggetti dell’Universo reale, a partire dai singoli pianeti, passando per le stelle e finendo con corpi del tutto esotici. Notiamo, infatti, che nessuna ipotesi viene fatta riguardo alla composizione del corpo centrale. Stelle di neutroni e buchi neri non sono perciò esclusi da questa trattazione. Si ritiene che quasi tutte le galassie, almeno quelle di forma ellittica, ospitino al loro centro un grande buco nero con una massa di molte centinaia di migliaia di volte quella solare, se non addirittura di milioni di masse solari.

Per sfuggire all’attrazione gravitazionale di un qualsiasi corpo celeste, occorrerebbe raggiungere una velocità limite corrispondente a quella che viene chiamata “velocità di fuga”. Per il nostro pianeta, tale velocità si attesta intorno agli 11 chilometri al secondo. Per un buco nero, la velocità di fuga equivarrebbe invece a quella della luce. È questo il motivo per cui nessun segnale riuscirebbe a oltrepassare una barricata di 300.000 chilometri al secondo. Un buco nero è vorace, lo sappiamo, e proprio a causa della sua voracità esplica una enorme forza attrattiva, e gli sfortunati oggetti che dovessero trovarsi nelle sue vicinanze subirebbero effetti mareali devastanti tali da produrre quella che viene chiamata “spaghettificazione”. Termine  mutuato dalla gastronomia, non per caso.Abbiamo per la prima volta una prova “visibile” diretta della presenza di materia degradata nella sua forma più estrema, il buco nero, un pozzo gravitazionale prodotto da un oggetto talmente massiccio da provocare la chiusura totale delle linee dello spazio-tempo attorno ad esso e non permettere nemmeno alla luce di emergerne. L’impossibilità pratica di poter rilevare in modo diretto cosa ci sia al di là di questa frontiera appare paradossale se si pensa a cosa si intende scientificamente per principio di conservazione dell’informazione. Questo principio è incompatibile con l’esistenza dei buchi neri in quanto i buchi neri le informazioni le distruggono, un po’ come fanno quei tritacartadivenuti obbligatori negli uffici pubblici con i fogli contenenti dati sensibili.

Siamo sulla linea di fuoco su cui si scontrano le due più importanti teorie fisiche nella storia della scienza: la Teoria della Relatività e la Fisica Quantistica.

Secondo la teoria di Einstein al centro di un buco nero ci troviamo di fronte a una singolarità. In pratica applicando le sue formule, la curvatura dello spazio-tempo nei dintorni di un buco nero diventa infinita e quindi è chiaro che la teoria non riesca a descrivere cosa succede in quel punto particolare. In realtà però la teoria della relatività non è molto precisa neppure nelle vicinanze di questo punto di singolarità. Qui interverrebbe l’altra teoria, quella quantistica che però non può “accettare” di buon grado la violazione del principio di conservazione dell’informazione. Questo costituisce una incompatibilità di fondo poiché proprio il principio di conservazione dell’informazione è uno dei capisaldi della Fisica quantistica. E vi assicuriamo che questo disaccordo tra le due teorie non ha fatto e non fa dormire gli astrofisici da almeno tre generazioni e continua a causare insonnia perché non si è trovata una teoria che in qualche modo riesca a portare a un’unificazione.

Sappiamo d’altronde che in Fisica si procede spesso per detronizzazioni, una teoria può smontare e soppiantare la precedente, come è appunto successo alla fisica di Newton quando è giunta la relatività di Einstein. Infatti in questa branca del sapere si parla di rivoluzioni scientifiche, sovente sfociate in drammatici conflitti e persecuzioni nei confronti di chi esprimeva idee considerate sovversive. Se però gettiamo uno sguardo d’insieme sarà possibile vedere il mosaico che da secoli viene assemblato, una tessera alla volta, in tutto il fascino dell’incompletezza e lungi dalla perfezione. C’è una frase divenuta un clichè fin troppo presente in libri e film, che descrive l’importanza di mantenere la curiosità e lo spirito giusto per saper cogliere la bellezza dell’avventura e del sapersi godere del “viaggio”, quasi a prescindere dalla meta. Nella scienza però per certi versi questo modo di confrontarsi con la realtà, questo essere sempre “in fieri,” è la norma.

La foto appena divenuta famosa ritrae il buco nero M87, che ha una massa di 6,5 miliardi di volte quella del Sole e si trova nel centro di una galassia, a 55 milioni di anni luce da noi, nella costellazione della Vergine. Quest’immagine illustra i dati raccolti nell’aprile del 2017. Un buco nero, durante il suoi banchetti, ingurgita vettovaglie a più non posso, che prima di venire digerite e quindi prima di finire oltre l’orizzonte degli eventi, rilasciano radiazione.Naturalmente, e vale la pena di sottolinearlo una volta di più, la luce che captiamo non è quella del buco nero, perché questo non emette luce, ma una sua eventuale stella compagna può tranquillamente emettere radiazione elettromagnetica. Le stelle infatti, come i gendarmi di Pinocchio, vanno in coppia e quando una delle due muore diventando un buco nero, l’altra comincia a subire l’effetto della sua gravità. Le uniche osservazioni dirette, in realtà, sono quelle basate sulle onde gravitazionali LIGO (negli Usa) e Virgo (in Italia), che però riescono ad “ascoltare” – ad oggi – solo gli eventi più violenti e spettacolari, mentre sono insensibili al resto. Adesso però, grazie agli scienziati dell’Event Horizon Telescope (EHT), un consorzio di 8 radiotelescopi dislocati in ogni angolo del pianeta, si è riusciti a vedere all’opera quegli oggetti che solo pionieri della scienza come Schwarzschild ed Einstein avevano ritenuto potessero esistere. Ma misurare la distorsione dello spazio-tempo e l’emissione di raggi X o gamma non è sufficiente ad identificare con certezza un buco nero. Le prove più significative, sono ancora legate al comportamento della materia che vi precipita. E’ infatti stato osservato che l’emissione di raggi X e gamma, non è costante ma variabile nel tempo e questo suggerisce che il risucchio della materia avvenga in modo intermittente, come se la materia prima di precipitare impiegasse un certo tempo ad accumularsi. La durata dell’accumulo, che nel caso di buchi neri piccoli sembra essere brevissima, da qualche ora a qualche giorno, rivela anche le dimensioni del buco nero. Gli scienziati hanno infatti messo in relazione il periodo di accumulo della materia con il tempo che un buco nero impiega a compiere un’intera rotazione su se stesso, che è risultato essere tanto maggiore quanto più grande è il buco nero.

Le cifre sono da capogiro: è la sindrome di Stendhal che il firmamento esercita su di noi al pari e più di un’opera d’arte. E l’universo è il museo in cui possiamo ammirare la Creazione. Una ierofania l’abbiamo definita all’inizio. La roulette del cosmo può spaventare per le lunghe catene di zeri, ma non c’è limite superiore all’estensione di un buco nero. Si pensi che stelle con massa 100 milioni di volte quella del nostro Sole possono dare origine a buchi neri con orizzonte degli eventi uguale a quelle del nostro intero sistema solare cioè circa un miliardo di chilometri. Esiste però un limite inferiore per la massa di una stella che può evolvere in un buco nero: 3 masse solari. Un buco nero delle dimensioni di un protone corrisponderebbe ad una massa di un miliardo di tonnellate. Un altro numero sconvolgente è quello delle forze messe in campo per l’osservazione di M87: un battaglione di telescopi che si sono comportati all’unisono, a formarne uno unico, avente le dimensioni della Terra e che hanno raccolto più di un milione di miliardi di dati. Ci sono poi voluti due anni perché gli scienziati li assemblassero. Si pensa ad oggi che esistano ben tre tipi di buchi neri. Il più semplice è quello di Schwarzschild, caratterizzato soltanto dalla massa, e formato dalla singolarità e dall’orizzonte degli eventi; questa tipologia di un buco nero è stazionario, non ruota e non ha carica elettrica. Il secondo è quello di Kerr, che ruota su se stesso e ha una singolarità che per effetto della rotazione si allunga fino a formare un anello. Quello di Reissner-Nordstrom, forse il più spettacolare, non ruota ma possiede carica elettrica e due orizzonti degli eventi concentrici. Affacciarsi all’orizzonte degli eventi e guardar giù provoca le vertigini, ma è come se il velo di Maya si fosse sfilacciato lasciandoci la possibilità di sbirciare oltre, alla ricerca del punto di partenza. La lettura delle stelle svela pagine sempre più avvincenti.

Elisa Cali