Universo e matematica: Buchi Neri

Un buco nero è un corpo celeste dotato di un campo gravitazionale talmente intenso da trattenere anche la radiazione elettromagnetica. Il corpo a circondato da un confine ideale sferico, detto "orizzonte degli eventi", attraverso il quale la luce può entrare ma non uscire; da ciò derive il nome. Un buco nero può essere un corpo di
densità elevatissima, avente una massa relativamente piccola, come quella del Sole o anche minore, compressa in un volume ridotto.

Il concetto di buco nero venne sviluppato intorno al 1916 dall'astronomo tedesco Karl Schwarzschild sulla base della teoria della relatività generale di Albert Einstein. Il raggio dell'orizzonte degli eventi di un buco nero di Schwarzschild dipende soltanto della massa del corpo e in chilometri 6 pari a 2,95 volte la massa del corpo stesso espressa in masse solari.Un raggio di luce che passa subito al di fuori di questa regione, viene incurvato motto fortemente della forza gravitazionale del buco nero, ma riesce a proseguire il suo cammino. Se invece vi entra, non potrà più uscirne. Non è sempre cosi perché se il corpo e dotato di carica elettrica oppure se è in rotazione, all'esterno dell'orizzonte si forma una "ergosfera", dentro la quale la materia viene sollecitata a ruotare insieme al buco nero; teoricamente possono verificarsi emissioni di energia da questa regione.

Sistema binario Cygnus X-1

Secondo la relatività generale, in prossimità di un buco nero la forza gravitazionale altera in maniera sensibile lo spazio-tempo.Il tempo rallenta man mano che ci si avvicina, dall'esterno, all'orizzonte degli eventi, e si ferma completamente sull'orizzonte stesso. Dal punto di vista teorico un corpo, che subisce una contrazione entro il raggio di Schwarzschild, collassa in una singolarità dello spazio-tempo, cioè in un oggetto senza dimensioni e di densità infinite. Gli astronomi hanno scoperto emissioni di raggi X da Cygnus X-1, una stella doppia nella quale la componente primaria a una stella normale avente massa pari a circa 30 masse solari. Lo spostamento delle linee dello spettro di emissione, dovuto all'effetto Doppler (cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d'onda,di un'onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente delle onde), lascia supporre l'esistenza di un compagno, di 10 o 15 masse solari, in orbita intorno ad essa. Un'emissione simile a quella osservata,
generalmente prodotta da un "disco di accrescimento", cioè da un disco denso e caldo che si forma quando il gas di una stella cade su un oggetto compatto descrivendo un percorso a spirale. Einstein, in collaborazione con Rosen, diede difatti una spiegazione motto differente al fenomeno dei buchi neri prendendo spunto da una peculiarità della sua equazione della relatività generale: la simmetria rispetto al tempo. Presa una soluzione dell'equazione, si può cioè immaginare che il tempo scorra indietro anziché in avanti e si otterrà un'altra soluzione matematicamente valida. Un buco nero in rotazione ha anche un effetto collaterale motto meno rassicurante dell'esempio previsto e calcolato da Schwarzshild. Il movimento angolare eventualmente ereditato della stella originaria sarebbe si in grado di farci evitare la singolarità, tuttavia, al medesimo tempo, creerebbe un'area esterna all'orizzonte degli eventi, definibile come ergosfera, la cui principale caratteristica sarebbe l'instabilità gravitazionale, con materia attratta net nucleo e altra capace di sviare quel destino procedendo lungo l'asse di rotazione del buco nero. L'idea del grande aspirapolvere cosmico non era poi tanto lontana dal vero.

Schema descrittivo del sistema Buco nero-Buco bianco

Da ciò discende che in presenza di un buco nero capace di attrarre la materia in se senza rilasciarla, si può immaginare un buco bianco in grado unicamente di emettere materia. La soluzione dell'equazione di un buco nero data da Einstein e Rosen prevedeva proprio la presenza di un buco bianco e di un buco nero collegati da un tunnel gravitazionale o wormhole che potrebbe mettere in comunicazione due parti differenti del nostro universo o persino due universi, differenti, nel senso che la parte dello spazio-tempo presente all'uscita dal buco bianco sarebbe collegata al nostro universo attraverso il solo buco nero e non sarebbe raggiungibile in altro modo.Il grande inconveniente di tutti i modelli dei buchi bianchi è che la regione attorno alla singolarità di un buco bianco, come quella attorno alla singolarità di un buco nero, dovrebbe avere un intenso campo gravitazionale, che attrarrebbe la materia verso di sé.I calcoli suggeriscono che tutto ciò che cade verso un buco bianco, materia o radiazione che sia, guadagnerebbe tanta energia da nascondere la singolarità in un cosiddetto "foglio blu", trasformandola rapidamente in un buco nero.Ad oggi non stato scoperto alcun campo antigravitazionale che sia in grado di produrre questo effetto, quindi l'esistenza dei buchi bianchi rimane nell'ambito del puramente teorico e speculativo.Infine, i buchi neri possono trovarsi anche al centro di quasar, nuclei di proto-galassie che possono avere una luminosità superiore di un migliaio di volte di più stelle della nostra galassia messe insieme.