Buchi neri e frontiere della fisica

I buchi neri generano intorno a sé dei campi gravitazionali così intensi che i fenomeni che si potranno osservare, metteranno a dura prova le leggi della fisica messe a punto per astri di modesta massa e con modesti campi gravitazionali.

Per esempio, sono ben noti questi globi celesti di dimensioni galattiche, di massa presumibilmente pari a quella di una galassia, cioè di miliardi di volte superiore ad una massa solare, ma non si sa ancora quale sia l'energia che li mantiene luminosi. Chi fornisce loro l'energia sufficiente per dilatarsi e mantenere l'elevata temperatura?

Inoltre molto spesso da certi quasar vengono proiettati dei getti giganteschi di materia ad una velocità molto vicina alla velocità della luce. Ciò significa che all'interno dei quasar hanno luogo delle esplosioni formidabili, ma nessuno conosce ancora il meccanismo esatto che libera l'energia sufficiente a produrre fenomeni così imponenti.

Una delle ipotesi formulate di recente è che al centro di questi grandi corpi celesti si trovino dei buchi neri di massa notevole, cioè di massa superiore ai cento milioni di masse solari e magari di qualche miliardo.

Se della materia cadesse nel centro di questi colossali buchi neri, anche se si trattasse di poche masse stellari, potrebbe liberare l'energia sufficiente a giustificare tali fenomeni. Tuttavia anche all'estremo opposto della scala delle dimensioni dei buchi neri ci si trova di fronte a leggi della fisica che da sole spiegherebbero fenomeni molto importanti, come l'"evaporazione" dei buchi neri.

Finora si è detto, e si crede ragionevolmente, che il buco nero sia la morte della materia dell'Universo; se la materia va a cadere in un buco nero, non solo non ha più la possibilità di comunicare per mezzo della luce col resto dell'Universo, ma non ha nemmeno più la possibilità di tornarne fuori e quindi vi rimarrà per sempre intrappolata. Di fronte ad una certezza così tragica i ricercatori si sono messi all'opera per vedere se non fosse possibile qualche fenomeno inverso.

Se delle particelle elementari entrano in un buco nero a velocità prossima a quella della luce, è possibile che ne escano estraendone una parte di energia.

E' un processo molto complicato, ma possibile, capace di estrarre energia dal corpo nero ma non materia, a meno che il buco nero abbia una massa relativamente piccola. Infatti la meccanica quantistica, cioè la meccanica degli oggetti di dimensioni submicroscopiche (per esempio quella che si applica alla perfezione alla struttura e alle leggi dell'atomo e del nucleo) insegna che una particella elementare che abbia un'energia troppo debole per superare una barriera di potenziale ha una maggiore probabilità di riuscire a superare la barriera stessa. Per esempio, se si lancia una boccia che rotola per strada fino ad arrivare ad un passo carraio inclinato, non riuscirà mai a salire su questo, se la sua velocità è bassa, ma se la sfera è microscopica e microscopica è anche la barriera che deve superare, anche se la sua energia è insufficiente, essa riuscirà in un certo numero, magari limitato, di casi a passare dall'altra parte. Ebbene, questo può accadere anche ad una particella che si trovi all'interno di un buco nero: in questa situazione potrà superare la barriera di potenziale gravitazionale e passare al di fuori. Questa teoria, che spiega la radioattività alfa, ossia l'emissione di particelle alfa da nuclei atomici pesanti (uranio e torio), applicata al buco nero, permette di valutare la dimensione massima che questo può avere affinché delle particelle microscopiche ne scavalchino la barriera di potenziale gravitazionale. Nel caso del buco nero il fenomeno è possibile, anzi è tanto più probabile quanto più piccolo è il buco nero. Per esempio per buchi neri dotati di una massa di 10¹⁶ grammi, in pratica la massa di una piccola montagna, la probabilità è assai elevata. Se la massa è dieci volte inferiore, la probabilità diventa elevatissima. In particolare se la massa è di soli 10¹⁴ grammi l"'evaporazione" delle particelle dal buco nero è tanto rapida che in pratica questo finisce col perdere tutte le particelle di cui è composto in una frazione di secondo. In sostanza, si tratterebbe di una formidabile esplosione. Tutta l'energia disponibile all'interno del buco nero si ritroverebbe al di fuori sotto forma di protoni molto energetici e di altrettanto energetici raggi gamma. Se dunque esistono questi buchi neri ed è possibile che buchi neri così leggeri si siano formati all'atto della nascita dell'Universo, questi sarebbero lentamente evaporati, ma giunti fino ad oggi, alcuni sarebbero così leggeri da evaporare rapidamente. Dunque, l'Universo potrebbe essere permeato da queste esplosioni, rivelabili sulla terra come un improvviso temporaneo aumento dei raggi gamma che provengono dal cosmo.

Ora pare che esplosioni di questo tipo avvengano effettivamente . Non si è ancora ottenuta una prova definitiva, ma si sta lavorando molto attivamente per confermare l'esistenza di tali esplosioni e metterle in relazione con quelle prodotte dall'evaporazione di buchi neri microscopici.