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Come posso vedere un buco nero?

La curiosità del mese di ottobre 2008 a cura di Tomaso Belloni

A sinistra: la regione di cielo di Cygnus X-1, il primo sistema binario con un buco nero scoperto più di quarant’anni fa. Cygnus X-1 è la stella più brillante al centro dell’immagine. La luce che si vede proviene interamente dalla stella normale del sistema binario. Immagine: Jerome Kristian, Carnegie Observatories, USA. A destra: disegno raffigurante il sistema di Cygnus X-1 come apparirebbe da vicino. La grossa stella bianco-azzurra à la compagna normale. Il buco nero à al centro del disco di gas in basso a destra. Immagine: Dott. Robert Hynes, Louisiana State University, USA.

Una stella molto massiccia finisce la sua vita come supernova e la sua parte più interna collassa trasformandosi in un buco nero.
Al centro di molte galassie si trova un buco nero. Si tratta dell’oggetto più esotico dell’universo: tutta la sua materia è concentrata in un punto.
La zona di spazio immediatamente vicina è soggetta a una attrazione di gravità così intensa che nemmeno la luce può uscirne.
Questa zona appare quindi nera, da cui il nome "buco nero": buco perchè ci si può entrare ma non uscire, nero perchà nemmeno la luce può sfuggirgli.

Negli ultimi decenni, gli astrofisici hanno cominciato a studiare questi oggetti sfruttando i telescopi sempre più potenti sia sulla superficie che in orbita intorno alla terra.

Ma se un buco nero è nero, come facciamo a vederlo?

Non certamente come una macchia nera su uno sfondo di stelle.
Un buco nero stellare ha una dimensione di una decina di chilometri, e anche nel caso dei buchi neri più grandi, quelli al centro delle galassie, stiamo parlando di oggetti molto distanti e compatti.
Non è quindi possibile "vedere" un buco nero.

Come fanno gli astrofisici a scoprire i buchi neri se non possono vederli?
Tramite i loro effetti gravitazionali.
Se sostituissimo il nostro sole con un buco nero di uguale massa (circa sei milioni di miliardi di miliardi di chilogrammi), quest’ultimo avrebbe un raggio di appena un chilometro.
Sarebbe chiaramente invisibile, essendo nero.
Però l’attrazione gravitazionale sugli oggetti del sistema solare (pianeti, asteroidi, comete) rimarrebbe sostanzialmente invariata (non esattamente, ma si tratta di effetti piccoli), per cui i pianeti continuerebbero a ruotare intorno al centro del sistema solare.
Un ipotetico visitatore extraterrestre vedrebbe otto pianeti ruotare intorno a... niente e misurerebbe per questo "niente" una massa pari a quella del sole.
Concluderebbe quindi che al centro del sistema solare si trova un buco nero con massa pari a quella del sole.

Allo stesso modo, mentre un buco nero isolato sarebbe praticamente inosservabile, se un buco nero di massa stellare si trova in un sistema binario con una stella normale (quindi luminosa), si può misurare la rotazione di questa stella intorno a qualcosa di invisibile e molto massivo, da cui si può risalire alla presenza di un buco nero e alla sua massa.
Allo stesso modo, un buco nero molto massiccio al centro di una galassia può essere rivelato misurando la velocità di rotazione delle stelle intorno al centro della galassia, rivelando che vi si trova una grande massa non visibile.
Queste stime della velocità delle stelle non si effettuano direttamente tramite misure dello spostamento apparente delle stelle nel cielo, che à troppo piccolo nel caso dei sistemi binari e troppo lento nel caso delle altre galassie, ma misurando le variazioni della luce emessa.

Ma.. come si sceglie la stella o la galassia da guardare con tutte quelle a disposizione?
Lo vedremo in una prossima "curiosità del mese".