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Intervista al professor Hawking

Buongiorno professore Hawking. Mi presento: sono Carolina, una ragazza di 13 anni. Frequento la terza media. Amo la scienza, specialmente l’astronomia, i libri, la cioccolata, il baseball, il violoncello e molto altro. Tra le tante cose che mi incuriosiscono ci sono i buchi neri e vorrei porle alcune domande su questo argomento. Innanzitutto, cos’è un buco nero?
Buongiorno anche a te, mi fa piacere sapere che ti interessano i buchi neri. Sono misteriosi e affascinanti e hanno intrigato gli scienziati per secoli. Per rispondere alla tua domanda: un buco nero è una regione dello spazio-tempo, dove la forza di gravità è così forte che riesce a catturare tutto, perfino la luce. Nel 1969 lo scienziato americano John Wheeler coniò il termine “buco nero” per indicare una zona, infinitamente profonda, e perciò simile a un buco, il cui confine si chiama “orizzonte”. Se esso viene varcato da un qualsiasi materiale cosmico, il buco nero lo inghiotte. Più materia vi precipita, più il buco nero e, conseguentemente, il suo orizzonte si espandono. Puoi immaginarlo come un maialino, più cose mangia e più diventa grosso.
Che forma ha?
Riguardo alla sua forma, un buco nero, creatosi per collasso di un corpo anche non sferico, finisce per stabilizzarsi in uno stato fluido sferico. Può ruotare su se stesso, ma non pulsare (come si era pensato precedentemente). Le sue dimensioni e la forma dipendono dalla massa e dalla velocità di rotazione.
E’ molto interessante il comportamento di un buco nero. Naturalmente avete avanzato delle teorie su che cosa succederebbe se cadessimo in un buco nero: sarei curiosa di conoscerle.
Dato che non è mai accaduto, non possiamo saperlo con certezza, ma ti cito alcune teorie. Cadendo dritto, i piedi saranno più vicini al buco nero e perciò saranno attratti dalla sua forza di gravità più della testa. Ragion per cui sarai stirato per il lungo come un elastico e schiacciato ai lati. Più grande è il buco nero, più deboli saranno lo stiramento e lo schiacciamento. Se cadi un buco nero creato da una stella non molto più grande del nostro Sole, ti ritroverai a pezzi prima ancora di finirci dentro. Se invece cadi in un buco nero molto più grande, potresti superare l’orizzonte senza notare nulla di particolare. Un osservatore che si trovasse a distanza di sicurezza non ti vedrebbe mai superare l’orizzonte, perché nelle vicinanze di un buco nero la forza di gravità distorce tempo e spazio. Chiunque ti guardasse avrebbe l’impressione di vederti rallentare a mano a mano che ti avvicini all’orizzonte e diventare sempre più sfuocato. Questo perché la luce da te emessa impiega sempre più tempo a uscire da un buco nero. Se quando attraversi l’orizzonte, il tuo orologio segnasse le 11:00, un osservatore esterno lo vedrebbe rallentare senza mai raggiungere le 11:00. Le ricerche che ho compiuto tra il1965 e il 1970 assieme a Roger Penrose hanno dimostrato che, stando alla teoria della relatività generale di Einstein (E=mc2), all’interno del buco nero ci deve essere una singolarità (a cui non siamo in grado di applicare leggi scientifiche e di conseguenza non possiamo prevedere il futuro) di densità infinita. Il big bang segna l’inizio del tempo per l’universo; il buco nero coincide con la fine del tempo per la stella che sta collassando o per l’astronauta che si trova sulla superficie.

C’è “un’uscita di sicurezza” per l’astronauta giunto nei pressi del buco nero?
Potrebbe essere che l’astronauta riesca a evitare la singolarità e a cadere invece in un tunnel spazio temporale (worm hole) per sbucare indenne in un'altra regione dell’universo. Questo aprirebbe possibilità per i viaggi nello spazio e nel tempo. Purtroppo non si è ancora trovato il modo di avvertire la presenza della singolarità per evitarla.
È possibile uscire da un buco nero?
Un tempo si credeva che niente potesse uscire da un buco nero. In fin dei conti, è per questo che si chiamano così. Si pensava che qualunque cosa che vi finisse dentro fosse perduta per sempre  e che i buchi neri fossero eterni. Poi si è scoperto che non era esatto. Piccolissime fluttuazioni nello spazio-tempo indicano che i buchi neri non possono essere le trappole perfette che si credevano. In realtà, ora si ritiene che da essi fuoriescano lentamente particelle sotto forma di Radiazioni Hawking. Nel 1970 sono riuscito a dimostrare che l’energia contenuta in un buco nero può occasionalmente dar luogo alla creazione di una coppia di particelle subatomiche, una delle quali potrebbe riuscire a sfuggire. Ciò significa in pratica che un buco nero potrebbe evaporare. Buchi neri della grandezza di una stella evaporerebbero, secondo questa ipotesi, così lentamente che dovrebbero passare eoni (trilioni di trilioni di volte l’età attuale dell’universo) inconcepibili di tempo  prima della loro evaporazione totale. Tuttavia più è grande il buco nero, più è lento il ritmo della fuoriuscita. Questo lo sappiamo perché abbiamo osservato dei piccoli buchi neri, chiamati mini-buchi neri. Un mini-buco nero con massa non superiore a quella di un pianeta o un asteroide potrebbe evaporare con rapidità tale da emettere quantità apprezzabili di raggi X . Inoltre la velocità di evaporazione e la produzione di raggi X aumenterebbero costantemente al diminuire della sua massa per effetto dell’evaporazione. Infine, quando il mini-buco nero fosse sufficientemente piccolo, esploderebbe emettendo raggi gamma. Insomma, i buchi neri non possono essere considerati prigioni eterne, ma che dire di cosa vi è imprigionato? Tutto ciò che ha creato il buco nero o vi è caduto nel corso del tempo, sarà espulso sotto forma di energia e particelle. Esaminando con attenzione, sarebbe possibile ricostruire quello che vi è finito dentro. Perciò la memoria di ciò che cade in un buco nero non è perduta per sempre, ma solo per molto, molto tempo. Perciò: è possibile uscire da un buco nero!

E quando si sarebbero formati questi mini-buchi neri?
Nel 1971 suggerii che i mini-buchi neri si siano formati all’epoca del Big Bang, alcuni di questi potrebbero avere avuto dimensioni tali che solo ora, dopo 15 miliardi di anni di esistenza sarebbero evaporati,via via più rapidamente a mano a mano che il buco nero si rimpiccioliva, fino al punto di esplodere. A causa delle Radiazioni Hawking, anche i buchi neri finiscono per dissolversi. Dapprima molto lentamente, ma via via più rapidamente a mano a mano che il buco nero si rimpicciolisce, finché, dopo miliardi di anni, sparirà del tutto.
Come avete scoperto la genesi dei buchi neri?
Per capire la formazione di un buco nero è stato necessario comprendere a fondo il ciclo vitale delle stelle. Le stelle nascono da ammassi di polvere e gas chiamati nebulose. Con il passare degli anni, grazie alla forza di gravità, si raggruppano e si comprimono fino a che gli atomi di idrogeno collassano, creando calore e trasformandosi in plasma (il plasma è il quarto stato della materia insieme al solido, liquido e gassoso). Quando il gas diventa plasma i nuclei degli atomi si separano dagli elettroni  formando un insieme fluido. A questo punto si innesca una fusione nucleare  nella quale i nuclei degli atomi dell’idrogeno riescono a superare la repulsione delle loro cariche positive e  si scontrano formando atomi di elio. Una parte della massa dei nuclei si trasforma in energia, seguendo la formula E=mc2. Le stelle irraggiano continuamente l’energia creata dalla fusione nucleare con le radiazioni. Ed è proprio grazie al fusione nucleare che le stelle brillano. Le stelle stanno in equilibrio tra la forza di attrazione gravitazionale (che cerca di implodere) e il calore e le radiazioni createsi dalla fusione nucleare (che cerca di esplodere). Il fenomeno è paragonabile a un palloncino, in cui la pressione interna tende a espanderlo mentre la tensione della gomma tende a contrarlo. Questo equilibrio durerà per molto tempo, finché la stella non esaurirà l’idrogeno e gli altri combustibili nucleari. Maggiore è la quantità di combustibile (idrogeno, elio, carbonio, ossigeno, neon, silicio, zolfo, ferro) di una stella appena nata, minore è il tempo che impiega a esaurirlo. Ciò è dovuto al fatto che, avendo più massa, la temperatura è più elevata per bruciare i gas.  A questo punto una stella di massa uguale a quella del sole diventa prima una gigante rossa, successivamente una nana bianca, e poi nana nera. Le stelle di massa dieci volte maggiore di quella del nostro Sole si tramutano in supergiganti rosse; dopo questa fase la stella diventa una supernova creando un’esplosione simile a una gigantesca bomba atomica. Le supernove sono importanti perché durante l’esplosione generano e disperdono nello spazio i nuclei degli atomi degli elementi chimici più pesanti, che serviranno sia per generare buchi neri sia per la nascita di altre stelle e corpi celesti. L’esplosione spara lontano tutti gli strati esterni della stella, formando un enorme spettro di gas in espansione. Ma la pressione generata dall’esplosione è talmente forte che liquefa la parte interna della stella. Il liquido derivato è composto principalmente da neutroni: infatti questa nuova stella si chiama stella di neutroni (con massa tra 1,44 e 2,1 masse solari).

Come fa una supernova a diventare un buco nero?
Se il nucleo della supernova, dopo l’esplosione possiede una massa superiore a 2,1 masse solari, esso continua a collassare creando un buco nero. Perché si formi un buco nero, è necessario che un’enorme quantità di materia venga compressa in uno spazio minimo,soltanto allora la forza di gravità aumenta catturando tutto quello che la circonda. Buchi neri perfino più grandi si formano dentro gli ammassi di stelle e al centro di galassie. La nostra galassia, la Via Lattea, ha al centro un buco nero la cui massa è diversi milioni di volte più grande di quella del nostro Sole.

E come s’identifica un buco nero?
Dato che i buchi neri non emettono luce, la faccenda è alquanto complicata, perciò si ricorre ad alcune strategie. È possibile individuare un buco nero dall’effetto della forza di gravità su tutto ciò che gli è vicino. Per esempio, se vediamo delle stelle orbitare attorno a qual cosa di invisibile, formando quello che viene chiamato disco di accrescimento non può che trattarsi di un buco nero. La materia di questo disco comincerà a muoversi lentamente lungo una spirale che va a finire nel buco nero, e durante questa discesa emetterà raggi X: dunque si deve cercare una sorgente di raggi X in una zona del cielo in cui non è visibile alcuna stella. Con questo metodo si è scoperto il primo buco nero: Cygnus  X-1 .       Sappiamo di avere davanti un buco nero anche quando vediamo enormi dischi di gas e polvere ruotare attorno a un oggetto invisibile. Se una stella su mille può creare un buco nero, allora nella nostra galassia dovrebbero esserci circa un milione di buchi neri, il guaio è che sono difficilissimi da scoprire, come detto prima.

Grazie per le informazioni sui segreti dei buchi neri e ancor più per aver contribuito ad ampliare la conoscenza e il progresso dell’uomo. È stato un piacere sentirle spiegare le meraviglie del cosmo. La ringrazio nuovamente e spero di avere altre occasioni per parlarle.
Scritta e idealizzata da Carolina Marcella Ottaviani. Raccogliendo informazioni attraverso i libri: “la chiave segreta per l’universo” e “la teoria del tutto” di Stephen Hawking; “li libro di fisica” di Asimov, i libri scolastici “ facciamo scienze, Terra” di Tibone e “Geografia generale” di Feyles e Neviani.

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