Mordere la luce

Quando, specialmente d’estate, abbiamo l’occasione di stare in località buie, è possibile scorgere (nella migliore delle ipotesi atmosferiche, come in Figura 1) una striscia di luce che attraversa il cielo spaccandolo a metà: la Via Lattea, un’enorme fotografia panoramica stesa sul cielo, raffigurante ciò che separa il Sistema Solare dal centro della galassia che ci ospita. Da quanto si legge sui giornali, parrebbe una zona tranquilla, questa nostra Galassia: un luogo senza pericoli, se non fosse per qualche asteroide vagante di tanto in tanto e, più spesso, qualche essere umano scapestrato. Tuttavia, nel 2002, un gruppo dell’Istituto di Fisica Extraterrestre Max Planck di Garching (vicino a Monaco di Baviera) guidato dal professor Reinhald Genzel, ha dato un annuncio emozionante, anche se in realtà già nell’aria da qualche anno: “dietro l’angolo” rispetto a noi, al centro della Via Lattea, risiede un buco nero super-massiccio. La fantascienza spesso dipinge questi oggetti come inghiottitori cosmici di cui temere, ma – si sa – neanche il diavolo è così brutto come lo si dipinge.

Se tanto mi dà tanto, un buco nero è… nero: come si può osservare? Gli astronomi di Garching erano riusciti a monitorare per più di dieci anni il moto della stella S2, in orbita nei pressi della costellazione del Sagittario, una porzione di cielo riconducibile alle zone più centrali della Via Lattea. Riuscire a tracciare l’orbita di una stella in questa parte della Galassia è tutt’altro che banale: individuarvi una stella come S2 è circa come cercare di leggere il titolo di questo articolo, se aveste dimenticato il numero de La Tigre di Carta sulla Luna.

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Figura 1 Il telescopio da 3.6 m dell’ESO a La Silla, a 2400 metri di altitudine, ai margini del Deserto di Atacama del Cile. La Via Lattea, la nostra Galassia, si estende lungo tutta l’immagine: è una struttura a forma di disco vista quasi perfettamente di taglio. L’intero piano della Galassia è popolato da centomila milioni di stelle e da gas e polvere interstellari. Credit: ESO/S. Brunier.

A complicare la missione, c’è anche il fatto che si tratta di regioni coperte da nubi di polveri e gas interstellare, nonché sovraffollate di stelle. Sono state quindi necessarie tecnologie all’avanguardia sia per quanto riguarda le ottiche dei telescopi, sia per ridurre e analizzare i dati. Il risultato di questo stupefacente studio fu innanzitutto scoprire che l’orbita di S2 era del tutto simile alle orbite ellittiche dei pianeti del Sistema Solare. In queste condizioni, utilizzando le semplici leggi di Keplero, basta misurare (dici poco!) le dimensioni dell’orbita e il tempo per completarla per ricavare algebricamente la massa del corpo attorno al quale si muove la stella. Il risultato? Una massa pari a circa quattro milioni di volte il Sole¹, racchiusa in uno spazio al più grande come l’orbita di Plutone (per confronto, nel Sistema Solare, l’orbita di Plutone racchiude una massa totale pari a… un unico Sole e poco più, dal momento che la massa di tutti i pianeti è pari a un millesimo della massa del Sole). Le dimensioni pachidermiche non devono però spaventarci. Innanzitutto esistono buchi neri super massicci ben più nerboruti, fino anche a decine di miliardi di masse solari; inoltre, la forza con cui il buco nero al centro della Galassia attira il Sole a sé è pari a quella che ci attira a Proxima Centauri, la stella più vicina al Sole e che non ci spaventa per nulla.

Serve capire cosa è effettivamente un buco nero e in che condizioni le sue fauci siano effettivamente pericolose, sfatando le interpretazioni più fantascientifiche. Nonostante siano generalmente collegati alla figura di Albert Einstein, che ne inaugurò la trattazione matematica tramite la Relatività Generale, questi misteriosi oggetti compaiono già negli scritti dell’astronomo inglese Mitchell (XVIII secolo) il quale congetturava l’esistenza di “stelle oscure”. In realtà, si sono ottenute evidenze osservative della loro esistenza solo negli anni Sessanta del Novecento, con l’avvento dell’astronomia X. L’idea alla base dei buchi neri è che ogni corpo dotato di massa crei, per così dire, un avvallamento attorno a sé, nel- lo stesso modo in cui una palla deforma un lenzuolo tenuto per i lembi. Più la palla è concentrata (cioè massiccia ma di piccole dimensioni), più l’avvalla- mento sarà profondo e circoscritto e diventa difficile che delle biglie lanciate sul lenzuolo riescano a sfuggire alla “trappola”. Se addirittura la luce (ovvero la “biglia” più veloce) scende nella voragine creatasi e vi rimane imprigionata, si parla di buchi neri: corpi sufficientemente compatti da impedire che la luce possa sfuggire dalla loro superficie. «Si finisce nella buca» dice l’I King de L’attesa.

Non c’è il rischio di trovarsi sul ciglio del burrone: esiste una “distanza di sicurezza” dal buco nero, entro la quale però tutto rimane imprigionato. Tale distanza (l’orizzonte degli eventi) si comporta come una rete di un campo da tennis un po’ speciale, in cui è impossibile per i due giocatori riuscire a giocare. Il giocatore nella metà campo del buco nero non riesce a far lanciare la pallina oltre la rete (la gravità è troppo forte e ne impedisce la fuga); le palline lanciate dall’altro giocatore superano la rete-orizzonte degli eventi, ma una volta nell’altro campo nemmeno la loro immagine è in grado di risalire il buco nero e ne rimane l’ultimo fotogramma, congelato sulla rete. Come dire: ogni “lanciata”, è persa.

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Figura 2 Simulazioni al computer per studiare l’evoluzione dinamica di una nube di gas mentre si avvicina ad un buco nero super-massiccio. Il buco nero sfalda la nube gradualmente, fino a dissolverla. Credit: ESO/Max-Planck- Institut/M.Schartmann. Per la simulazione completa si veda il seguente link

Non per questo vi consiglio di intraprendere un viaggio al centro della Galassia per vedere dal vivo il buco nero super-massiccio. Se però foste risoluti a farlo (la luce ci impiega ventiquattro mila anni a raggiungerlo, quindi dovreste prendervi ferie a sufficienza), un consiglio: avvicinatevi di petto o il buco nero, ben prima dell’orizzonte degli eventi, vi renderà un succulento piatto di spaghetti. Nelle vicinanze di un buco nero, la forza d’attrazione aumenta velocemente: puntando i piedi nella sua direzione, essi sarebbero molto più attratti rispetto alla nostra testa, con un effetto complessivo pari ad un estremo stiramento (chiamato in gergo, per l’appunto, spaghettificazione). Avvicinandoci di petto, ogni punto del nostro corpo risentirà allo stesso modo della gravità del buco nero. Non ha potuto ascoltare il consiglio la nube di gas che nel 2012 era stata vista avvicinarsi coraggiosamente al buco nero della Galassia (in Figura 2, una simulazione numerica ne riproduce la dinamica). La comunità scientifica accolse con entusiasmo la notizia, proprio per la curiosità di poter osservare da vicino un buco nero nell’atto di stirare la nube di gas, fino al punto di strapparla e lacerarla. Sembrava ormai che il pranzo fosse pronto per essere servito in tavola ma in realtà il buco nero è rimasto quasi a bocca asciutta². Allo stesso modo in cui un ladro sfugge alla polizia lasciando nelle mani del gendarme solo la giacca, la nube ha perso solo le sue parti più esterne ed è sopravvissuta all’incontro. Forse era un agglomerato di gas troppo sostanzioso per un solo pasto? Forse si trattava di una stella che quindi sa opporre maggiore resistenza³? Forse le stelle erano due? Le idee non mancano, ma al momento nessuna è stata confermata.

Se invece confidate nella bontà del buco nero della nostra Galassia sappiate che anche lo scorso anno, in una galassia a spirale a quasi 650 milioni di anni luce, è stato osservato un buco nero supermassiccio che risparmiava una stella che sopraggiungeva come uno stuzzichino, dopo qualche decina di migliaia di anni di dieta ferrea⁴. Tuttavia, è andata meno bene a un pianeta gigante gassoso nella galassia NGC 4845⁵: il buco nero ha dilaniato il malcapitato, fino all’ultimo finale e straziante morso. Lo aveva avvertito anche l’I King: «Il morso che spezza ha riuscita, propizio è dar corso alla legge»… della gravità.

Note:

1. Stefan Gillessen et al., Monitoring stellar orbits around the massive black hole in the Galactic center, The Astrophysical / Journal, 2009, 692, 1075; per una lettura divulgativa: S. Gillessen, Unprecedented 16-Year Long Study Tracks Stars Orbiting Milky Way Black Hole, 10 dicembre 2008.

2. G. Witzel et al., Detection of Galactic Center Source G2 at 3.8 μm during Periapse Passage, The Astrophysical Journal Letters, 2014, 796, L8.

3. K. Phifer et al., Keck observations of the Galactic center source G2: gas cloud or star?, The Astrophysical Journal Letters, 2013, 773, L13.