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Lo studio dei buchi neri ha sempre provocato le reazioni più svariate. Da una parte è entusiasmante pensare che nascondano l'accesso a nuove possibilità fisiche imprevedibili, anche se solo per gli scienziati tanto coraggiosi da volerci entrare. D'altro canto, da tempo le conseguenze dei buchi neri impensieriscono alcuni fisici: la ricerca di alternative ai buchi neri, spesso motivata dall'antipatia per l'una o per l'altra delle loro proprietà, è vecchia quanto l'idea stessa di buco nero.

E così, il problema dell'informazione e gli interrogativi che esso pone hanno spinto alcuni scienziati a rivedere il ragionamento che negli anni settanta ha portato all'idea dei buchi neri semiclassici che via via evaporano. Tra i fisici che si sono occupati di questo problema ci sono Carlos Barcelò, vicedirettore dell'Instituto de Astrofisica de Andalucia, Stefano Liberati, ricercatore di Astrofisica presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste, Sebastiano Sonego, docente di Fisica Matematica all'Università di Udine, e Matt Visser, docente di Matematica alla Victoria University di Wellington (Nuova Zelanda). I loro risultati sono stati pubblicati in Italia sul numero di dicembre 2009 de "Le Scienze", e in questo capitolo ne forniremo un breve sunto. In questo modo i lettori potranno rendersi conto della strada imboccata nei nostri anni duemila dalle ricerche sui buchi neri, e di come questo filone dell'Astrofisica sia in continua e rapidissima evoluzione. Come avvertiva infatti John Archibald Wheeler, colui che coniò il termine stesso di "buco nero", « non bisogna mai correre dietro un bus, una donna o una teoria cosmologica. Ce ne sarà sempre un'altra nel giro di pochi minuti »!

I quattro ricercatori suddetti affermano di aver scoperto che la vecchia previsione semiclassica secondo cui i buchi neri si formano da un collasso gravitazionale, anche corretto con gli effetti quantistici, si basa su un'ipotesi implicita, e cioè che il collasso proceda molto rapidamente, impiegando circa lo stesso tempo che il materiale sulla superficie della stella impiegherebbe per precipitare in caduta libera fino al centro della stella. Tuttavia, per un collasso più lento gli effetti quantistici potrebbero generare un nuovo tipo di oggetto motto compatto che NON ha un orizzonte degli eventi, e si presenterebbe quindi meno problematico da "digerire" alla luce della Fisica che noi conosciamo.

Infatti, se il collasso è significativamente più lento della caduta libera, il RSET acquisisce valori arbitrariamente grandi e negativi nella zona vicina al raggio di Schwarzschild, dove si sarebbe formato l'orizzonte degli eventi classico. Un RSET negativo produce inoltre una repulsione, rallentando ulteriormente il collasso. Il collasso può arrivare a fermarsi completamente poco prima della formazione di un orizzonte, oppure proseguire indefinitamente a velocità sempre più bassa, avvicinandosi alla formazione di un orizzonte senza però crearlo mai.

Tuttavia questo risultato non rende impossibile la formazione dei buchi neri. Una nube sferica di materia perfettamente omogenea e con massa pari ad esempio a 100 milioni di masse solari che cade liberamente sotto l'azione del proprio peso formerebbe sicuramente un orizzonte degli eventi: una rube tanto grande avrebbe una densità paragonabile a quella dell'acqua nel momento in cui diventa così compatta da formate un orizzonte. A una densità tanto bassa, il RSET non può crescere tanto da impedire la formazione dell'orizzonte. Ma sappiamo che nell'universo osservabile le cose sono andate diversamente: le vaste nubi di materia quasi omogenee emerse dalle prime fasi del Big Bang non sono collassate per dar vita a buchi neri, ma hanno prodotto delle stelle, e il calore delle loro reazioni nucleari ha rimandato il collasso. Quando una stella ha esaurito buona parte del suo combustibile nucleare, può rimpicciolire sino a diventare una stella di neutroni, ma abbiamo visto che a questo punto il principio di esclusione di Pauli, che è un effetto quantistico, impedisce un ulteriore collasso. Se la stella di neutroni acquisisce nuova massa, a un certo punto la forza di gravità ha la meglio sui neutroni e si verifica un ulteriore collasso. Non sappiamo ancora che cosa accade alla materia a questo punto, anche se e opinione comune che si formi un buco nero.

Gli astrofisici hanno proposto vari oggetti che potrebbero formarsi tra lo stadio di stella a neutroni e quello di buco nero: il modello più affascinante è quello della stella di quark, un astro da soli quark che potrebbe formarsi quando ormai ha ceduto anche l'estremo bastione del principio di esclusione, e l'astro collassa indefinitamente. In questo caso è possibile che i quark si neutroni si scompongano nei loro costituenti: quark up e quark down. Alcuni di essi possono "impacchettarsi" a formare quark strange, dando vita ad ipotetici astri chiamati "stelle strane". In pratica si tratta di un'unica, colossale, gigantesca, impressionante particella subatomica. Questa "materia strana" tra l'altra è uno dei possibili candidati per rappresentare almeno parte della famosa materia oscura. Le osservazioni del satellite Chandra X-Ray Observatory eseguite il 10 aprile 2002 hanno rilevati due possibili candidati che potrebbero rappresentare stelle di quark, designati con le complesse sigle RX J1856.5-3754 e 3C58, già catalogate come stelle di neutroni: basandoci sulle leggi della Fisica che noi conosciamo, il primo appare molto più piccolo e la seconda molto più fredda di quanto dovrebbe essere, il che suggerisce che essi siano composti da materiale molto più denso di quello di una stella di neutroni, anche se queste conclusioni sono accolte con diffidenza da molti ricercatori. È stato suggerito anche che il nucleo collassato della supernova 1987A, una illustrazione della quale abbiamo visto nel capitolo 5, sia una stella di quark, dato che al centro di essa non è stata ancora trovata alcuna stella di neutroni.

Altri possibili modelli di stella supercondensata al di là dello stadio di stella di neutroni sono le stelle di bosoni e le Q-ball, che potrebbero risultare stabili perfino a pressioni troppo elevate per una stella di quark. In ogni caso, per scoprire quale di queste congetture sia vera, ammesso che almeno una lo sia, i fisici devono capire meglio come si comporta la materia a una densità molto superiore a quelle dei neutroni.

L'esperienza ci dice dunque che la materia che segue le leggi della nostra Meccanica Quantistica sembra trovare modi sempre più astuti per rinviare il collasso gravitazionale. Sebbene ognuno di questi ostacoli possa essere superato (una certa configurazione stabile può sempre essere resa instabile aggiungendo una quantità sufficiente di materia), ogni processo che rinvia il collasso fornisce altro tempo per l'accumulo di RSET negativo del vuoto quantistico fino a un valore significativo. Questo RSET può controbilanciare l'attrazione gravitazionale e, visto che la sua repulsione può crescere illimitatamente, può arrestare definitivamente il collasso verso un buco nero.

Questo comporta semplicemente il fatto che, secondo gli scienziati sopra citati e i loro collaboratori, un buco nero così come era concepito finora non si forma ma. A formarsi invece sarebbero oggetti di nuovo tipo, che sono stati battezzati Soli Neri, rispolverando un termine in uso prima dell'avvento di John Archibald Wheeler: una puntata del telefilm di fantascienza "Spazio 1999" in cui compare uno di questi esotici oggetti è appunto intitolata « Il Sole Nero ». A causa delle loro dimensioni estremamente ridotte e della loro altissima densità, i Soli neri avrebbero molte proprietà in comune con i buchi neri, ma da un punto di vista concettuale sarebbero radicalmente diversi.

Fig. 20   Il Sole Nero incombe sulla Base Alpha di "Spazio 1999".

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Essi infatti sarebbero corpi materiali, con una superficie effettiva, non solo geometrica, ed un cuore pieno di materia densa. Sarebbero estremamente fiochi, perché la luce emessa dalla loro superficie subirebbe un intenso spostamento verso il rosso. In teoria si potrebbero condurre studi astrofisici diretti sui Soli Neri, poiché non vi sarebbe un orizzonte degli eventi a bloccare ogni tentativo della nostra fisica di esaminarne la struttura.

Alcuni Soli Neri potrebbero somigliare a buchi neri che evaporano, emettendo una radiazione simile alla radiazione di Hawking. Nel caso di un collasso che si avvicina moltissimo alla formazione di un orizzonte ma non vi arriva, gli autori di questa ricerca hanno dimostrato che un Sole Nero emette particelle con uno spettro di energia molto simile a quello di un normale corpo nero, a una temperatura poco inferiore alla temperatura di Hawking. Essendo privo di orizzonte, però, il Sole Nero non può nascondere informazione, totalmente contenuta nelle particelle emesse e nella materia che resta nel Sole Nero.

Qualcuno ha proposto per questi oggetti il nome di « Quasi buchi neri », perché visti dall'esterno avrebbero approssimativamente le stesse proprietà termodinamiche dei buchi neri in evaporazione. Il loro interno, però, ospiterebbe uno spettro di temperature con un massimo vicino al centro. Se si immagina il corpo come una struttura di gusci concentrici, ciascun guscio si contrarrebbe lentamente, ma senza diventare abbastanza compatto da formare alcun orizzonte. Ogni guscio riuscirebbe a non collassare grazie al RSET del vuoto: i gusci più profondi avrebbero temperature più alte, come i buchi neri di massa minore.

Altri ricercatori hanno proposto modelli alternativi a quello di Buco Nero classico, onde eliminare i due enormi problemi che lo affliggono: la singolarità al centro di esso e l'unitarietà. Ne sono venute fuori immagini di oggetti assolutamente esotici, che nella mente dei loro ideatori dovrebbero spiegare gli oggetti oscuri compatti osservati dagli astronomi senza ricadere nei due problemi suddetti. Tutte le alternative proposte hanno in comune la mancanza di un orizzonte degli eventi, e l'idea che lo spazio-tempo che le circonda sia identico a quello che circonda un buco nero classico, fino a brevissima distanza dal punto in cui si formerebbe l'orizzonte degli eventi. Ecco alcune possibilità alternative:

1) Gravital Vacuum Star (stella di vuoto gravitazionale o GRAVASTAR). La geometria dello spazio-tempo attorno a questo strano corpo sarebbe indistinguibile da quella di un buco nero fino a circa 10^–35 metri dalia posizione in cui si troverebbe l'orizzonte di un buco nero classico. Esso sarebbe sostituito da un "guscio di materia ed energia" spesso appena 10^–35 metri (la lunghezza di Planck, alla quale si suppone che diventino rilevanti gli effetti delta Gravitodinamica Quantistica). L'interno della gravastar sarebbe semplicemente spazio vuoto con elevatissima polarizzazione, in grado di generare una repulsione che impedirebbe al guscio di materia di collassare ulteriormente. La geometria come noi la conosciamo verrebbe meno nella regione che separa interno ed esterno.

2) Buco Nero Complementare. In Meccanica Quantistica si parla di complementarità per esprimere il fondamentale concetto che un'osservazione può rivelare la natura particellare o quella ondulatoria di un oggetto, ma non entrambe contemporaneamente. In modo analogo, la Meccanica Quantistica dei buchi neri potrebbe esibire un nuovo tipo di complementarità: un osservatore esterno può ottenere una descrizione della superficie osservabile del buco (per esempio una membrana con proprietà fisiche al posto dell'orizzonte degli eventi), mentre un osservatore che cade nel buco nero deve usare per forza una descrizione diversa.

3) Fuzzball. Chi propone questo modello sostiene che l'orizzonte sarebbe una regione di transizione tra la geometria classica valida all'esterno e un interno quantistico in cui non sia possibile specificare un concetto definito di spazio-tempo. L'interno potrebbe essere descrivibile dalla Teoria delle Stringhe, e non avrebbe alcuna singolarità. Ogni descrizione eseguita dall'esterno potrebbe avere come interno uno qualsiasi di un numero incredibilmente grande (10³⁵) di stati quantistici fatti di stringhe. La descrizione semiclassica di un buco nero (orizzonte degli eventi, entropia enorme, temperatura ed emissione di radiazione di Hawking) corrisponderebbe a una media statistica calcolata su tutti i possibili interni, analoga alla descrizione statistica di un gas che ignora posizioni e moti esatti di tutti i suoi singoli atomi.

A questo proposito, Joseph Polchinski dell'Università della California a Santa Barbara ha fatto notare che, applicando all'orizzonte degli eventi di un buco nero la Teoria delle Stringhe, tale orizzonte perderebbe il significato di una semplice delimitazione geometrica, per trasformarsi in un "muro di fuoco" o "firewall", una vera e propria parete fatta di particelle ad altissima energia, che disintegrerebbero qualunque oggetto le toccasse, e potrebbero porre fine al concetto stesso di spazio e di tempo, che sarebbero completamente assenti dentro il buco nero, per quanto quest'affermazione possa parere assurda. Lo stesso Polchinski però riconosce che nemmeno osservando da vicino un buco nero, con tutti i rischi del caso, potrebbe essere sufficiente per "scorgere" i "muri di fuoco", giacché le radiazioni da essi emesse sarebbero indebolite dall'attrazione gravitazionale del buco nero stesso, fino a renderle praticamente invisibili. Vi è inoltre chi si oppone a questa teoria, asserendo che essa violerebbe il Principio di Equivalenza di Albert Einstein, alla base della Teoria della Relatività Generale, secondo la quale un osservatore in caduta libera non dovrebbe rilevare nessun effetto locale dovuto alla gravità. Samir Mathur, ricercatore della Ohio State University, ha rifatto i calcoli che risultano applicando la Teoria delle Stringhe all'orizzonte degli eventi di un buco nero, e secondo lui la fuzzball non ha bisogno di un "muro di fuoco", avendo una struttura esterna estremamente irregolare e discontinua. Chi avrà ragione? Non resta che aspettare la prossima puntata di questa lunga controversia scientifica.

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Fig. 21   Immagine artistica di un buco nero circondato da un disco di gas caldissimo e da un grande anello toroidale di gas e polveri più freddi. L'anello di luce blu sulla parte posteriore del toro è dovuto alla fluorescenza di atomi di ferro eccitati dai raggi X prodotti dal disco di gas incandescente (Fonte: CXC / M.Weiss)

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Naturalmente non sappiamo ancora se tutti questi oggetti strampalati (Soli Neri, Gravastar, Buchi Complementari, Fuzzball, Muri di Fuoco) compaiano normalmente nell'universo, o siano solo il risultato di eventi del tutto eccezionali. Inoltre nessuno di questi modelli alternativi risolve del tutto il problema dell'informazione, fino a quando sarà possibile che in qualche punto dell'universo possano formarsi buchi neri. In ogni caso, i futuri studi intorno a tutte queste scorciatoie per evitare l'orizzonte dovranno necessariamente dimostrare che la polarizzazione del vuoto riesce effettivamente ad arrestare il collasso gravitazionale svolgendo i calcoli per mezzo della Gravitodinamica Semiclassica. Descrivendo i buchi neri quantistici come aggregati di entità fondamentali dette "brane", i seguaci della Teoria delle Stringhe hanno riprodotto le previsioni della Gravitodinamica Semiclassica in alcuni casi speciali, e sperano di estendere questi risultati a tutti i tipi di buchi neri. Una soluzione definitiva del problema dell'informazione e del destino della materia che collassa potrà però dirsi interamente risolto solo quando avremo a disposizione una Teoria Quantistica completa della Gravità. Anche se il passaggio segreto che porta a capire come conciliare Meccanica Quantistica e Relatività Generale è ancora al di fuori della nostra portata, forse non è protetto dalla fortezza inespugnabile di un orizzonte degli eventi.

C'è da aggiungere che oggi, nella nomenclatura scientifica, esiste anche il "Buco Grigio", un ipotetico tipo di stella degenere, ritenuto un derivato delle stelle di neutroni più pesanti, in cui la materia si trova in uno stato particolarmente esotico. Viene detto anche "stella Q", però non va confusa con la stella di quark, che è un astro ancora più esotico ("Q" non sta per "quark", ma per il numero delle particelle conservate). Un possibile Buco Grigio è uno dei due oggetti che costituiscono V404 Cygni, un sistema binario nella costellazione del Cigno, ad una distanza di circa 7800 anni luce dalla Terra. Esso fu scoperto nel 1989, quando il satellite giapponese per raggi X Ginga rilevò un getto di raggi X proveniente da un oggetto allora noto con la sigla GS2023+338, in una regione dove nel 1930 era stata registrata una nova. Se si tratta di un Buco Grigio, è una scoperta importantissima; ma se anche si tratta di un "comune" Buco Nero, sarebbe il buco nero più vicino alla Terra a noi noto!

E ora, due parole su uno dei problemi più spinosi che riguardano i buchi neri. Nel 1967 il già citato John Archibald Wheeler formulò un teorema secondo cui i buchi neri non hanno caratteristiche osservabili al di là della loro massa, della loro velocità di rotazione e della loro carica elettrica. Per sottolineare questo concetto coniò una frase che divenne celebre: « I buchi neri non hanno capelli » (« Black holes have no hair »). Per questo oggi è noto come il Teorema No-Hair. Nel 2022 tuttavia il professor Xavier Calmet e il dottorando Folkert Kuipers dell'Università del Sussex, Stephen Hsu della Michigan State University e Roberto Casadio del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell'Università di Bologna hanno dimostrato che i buchi neri sono più complessi di quanto originariamente previsto: hanno infatti un campo gravitazionale che, a livello quantistico, codifica le informazioni su come si sono formati. Per questo i suddetti studiosi, in omaggio alla celebre frase di Wheeler, hanno chiamato la loro scoperta "i capelli quantistici derivati dalla gravità". Utilizzando metodi matematici specifici per eseguire calcoli sulla gravità quantistica, gli scienziati hanno mostrato come, quando vengono prese in considerazione le correzioni gravitazionali quantistiche, la materia che collassa in un buco nero lascia un'impronta nel campo gravitazionale del buco nero stesso. Questa impronta costituisce appunto i "capelli quantistici". In particolare, gli studiosi hanno confrontato i campi gravitazionali di due stelle con uguale massa totale e raggio, ma nelle quali la materia è distribuita diversamente al loro interno. A livello della fisica classica, le due stelle hanno lo stesso potenziale gravitazionale, ma a livello quantistico il potenziale dipende dalla loro composizione interna. E quando le stelle collassano nei buchi neri, i loro campi gravitazionali conservano la memoria di come sono fatte internamente. Insomma, dopotutto, i buchi neri hanno in effetti “i capelli”! Nella fisica classica, l'orizzonte degli eventi del buco nero agisce come una perfetta membrana unidirezionale che non lascia uscire nulla: da qui nasce il teorema no-hair, e l'esterno di tutti i buchi neri di una data massa è sempre identico. Nella teoria quantistica, però, lo stato della materia che collassa e forma il buco nero continua a influenzare lo stato esterno del buco nero stesso, anche se in modo compatibile con gli attuali limiti sperimentali. Questo è il fenomeno dei "capelli quantistici".

In seguito il professor Calmet e il professor Hsu hanno dimostrato che attraverso questi "capelli quantistici" è possibile risolvere un altro problema di lungo corso: il paradosso dell'informazione del buco nero, formulato per la prima volta nel 1976 su suggerimento del sommo Stephen Hawking. Il problema in questo caso nasce dal fatto che, nel momento in cui emettono radiazioni termiche, i buchi neri distruggono le informazioni relative a ciò che li ha formati: un fenomeno che violerebbe una legge fondamentale della meccanica quantistica, secondo cui qualsiasi processo in fisica può essere matematicamente invertito. Questo paradosso, che esprime uno dei dilemmi più noti della scienza moderna, potrebbe però essere risolto proprio grazie ai "capelli quantistici" individuati nel 2022, che permettono di individuare il meccanismo attraverso cui le informazioni vengono conservate all'interno di un buco nero. Un risultato davvero importante per chi studia questi strabilianti oggetti compatti.

E ora, una postilla prima di cambiare argomento. Com'è noto, per generare nuove particelle e per studiare le loro caratteristiche sono necessari giganteschi acceleratori come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, capaci di portare particelle subatomiche a velocità altissime e di farle scontrare fra loro per studiarne i prodotti. Ma, secondo Daniel Grumiller e Gabriela Mocanu, fisici teorici del Politecnico di Vienna, si potrebbe invece far ricorso proprio ai buchi neri. Secondo i loro calcoli, infatti, intorno ai buchi neri potrebbero accumularsi grandi nubi di assioni, ipotetiche particelle ipotizzate alla fine degli anni settanta, con una massa compresa fra un milionesimo e un millesimo di elettronVolt ( la massa dell'elettrone e di circa 511 chiloelettronVolt): particelle leggerissime, quindi, che sono però considerate fra i migliori candidati per spiegare la composizione della famosa materia oscura. L'eventuale collasso di queste nubi provocherebbe onde gravitazionali così intense, da poter essere rilevate dagli interferometri gravitazionali di prossima generazione.

Secondo Grumiller e Mocanu, gli assioni potrebbero orbitare intorno ai buchi neri formando degli enormi « atomi gravitazionali ». Appartenendo infatti alla famiglia dei bosoni, a differenza di protoni ed elettroni che sono soggetti al Principio di Esclusione di Pauli, queste particelle potrebbero formare dei condensati, estraendo energia dei buchi neri. I calcoli dimostrano che questo processo raggiunge un punto critico, dopo il quale la nube collassa, generando un evento catastrofico detto « bosenova », che potrebbe produrre onde gravitazionali rivelabili dagli interferometri gravitazionali in funzione nei prossimi anni. Se l'ipotesi si dimostrasse vera, i buchi neri potrebbero diventare addirittura nostri alleati nella lunga caccia ai costituenti fondamentali dell'universo!