«Con gli occhi di Lisa potremmo vedere i primi secondi di vita dell'Universo»

Lo scorso luglio hanno suscitato meraviglia le prime, affascinanti immagini di oggetti celesti catturate dal nuovo telescopio spaziale James Webb. Quest’anno, in maggio, un’altra fotografia ha però segnato un passo altrettanto epocale nel campo delle scienze astronomiche. È quella di Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio che è al centro della Via Lattea, la nostra galassia. Di buchi neri e grandi traguardi che si spera di raggiungere in futuro nelle scienze astronomiche parliamo con Alberto Sesana, astrofisico e professore ordinario all’Università degli Studi di Milano-Bicocca.

Professor Sesana, cosa sono i buchi neri, che costituiscono il suo campo di ricerca?

«I buchi neri sono degli oggetti che innanzitutto sono stati predetti come conseguenza della teoria della relatività generale di Einstein, secondo la quale la gravità si manifesta come una curvatura dello spazio. Per semplificare, se mettiamo una palla di ferro (può rappresentare il nostro Sole) su un tappeto elastico, questo si curva. Se vi mettiamo poi una palla meno pesante (come può essere la Terra) e le diamo una spintarella, quest’altra inizia a girare con una traiettoria chiusa intorno a quella dalla massa maggiore che sta curvando il tappeto elastico. Nell’Universo accade che più la massa centrale è massiccia e compatta, più la curvatura si accentua. E maggiore è la curvatura, più è difficile fuggire dall’attrazione gravitazionale dell’oggetto centrale. I buchi neri sono oggetti così massicci che neppure la luce riesce a sfuggire alla loro attrazione gravitazionale, da cui il loro nome».

Ci faccia capire ancora meglio il meccanismo di quella che potremmo chiamare attrazione fatale e soprattutto inevitabile.

«Per capire perché i buchi neri attraggono tutto quel che si trova nei loro paraggi, possiamo riferirci alla cosiddetta velocità di fuga. Tutti noi e ciò che ci sta attorno siamo attratti dalla forza di gravità della Terra. Se però lanciamo in aria un oggetto con una sufficiente velocità, l’oggetto scappa dal campo gravitazionale del nostro pianeta e se ne vola via. Per la Terra la velocità di fuga è di 11 chilometri al secondo, mentre se ci trovassimo sul Sole, per sfuggire alla gravità della nostra stella di chilometri al secondo ne occorrerebbero 600. Nell’Universo, più un oggetto diventa massiccio e compatto, più la velocità di fuga necessaria per sfuggire alla sua attrazione si avvicina ai fatidici 300.000 km al secondo, ossia alla velocità della luce. I buchi neri sono degli oggetti così compatti e massicci che la velocità di fuga dalla loro superficie – tecnicamente definita orizzonte degli eventi – è maggiore di quella della luce. Di conseguenza, una volta superato l’orizzonte degli eventi, nulla può più sfuggire ai buchi neri, appunto chiamati così proprio perché neppure la luce riesce a farlo. Osservando la fotografia di Sagittarius A*, la parte luminosa, per onor della precisione, è dovuta all’emissione di radiazione del gas caldo che sta per essere fagocitato dal buco nero ma non ha ancora superato l’orizzonte degli eventi».

Stabilito che dai buchi neri, una volta catturati dalla loro forza di attrazione, niente può più fuggire, dov’è che gli oggetti celesti e la luce vanno a finire?

«Secondo la teoria stabilita e accettata, una volta che qualsiasi cosa entra nel buco nero, viene attratta inesorabilmente verso il suo centro. Cosa sia quest’ultimo e come è fatto, però, ancora lo sappiamo. Secondo la teoria della relatività, tutto si concentra in un punto di dimensione nulla, puntiforme e dalla densità infinita. Tuttavia, ciò è inaccettabile dal punto di vista fisico e solo fondendo teoria della relatività e meccanica quantistica riusciremo a capirne la vera natura».

Quanto può essere grande la massa dei buchi neri?

«Sagittarius A*, il buco nero al centro della Via Lattea, che dista dalla Terra 25.000 anni luce, ha una massa che è quattro milioni di volte maggiore rispetto a quella del nostro Sole. Al momento conosciamo buchi neri che coprono diversi ordini di grandezza in massa. Innanzitutto, ci sono i cosiddetti buchi neri stellari, chiamati così perché sono stelle morte. Una stella è un oggetto in equilibrio fra la gravità che tende a farla collassare e le reazioni nucleari che la alimentano, le quali la tengono su, per così dire. Quando il combustibile nucleare finisce, non c’è più nulla che può contrastare la gravità e se la stella è grande abbastanza, diventa direttamente un buco nero. Ed è così che finiscono la loro vita la stelle massicce, che danno vita a buchi neri la cui massa va dalle 10 alle 60, 100 masse solari, sempre prendendo come termine di paragone quella del nostro Sole. La quale, per dare un’idea, è di 333.000 volte maggiore di quella della Terra. Poi, però, esiste un’altra famiglia di buchi neri, che è distinta da quella di cui ho appena detto».

Ossia?

«È la famiglia di quelli che chiamiamo buchi neri supermassicci. La loro peculiarità è di trovarsi al centro delle galassie, ogni galassia delle miliardi di galassie presenti nell’Universo. La loro massa è di un milione fino a miliardi masse solari. Quindi, Sagittarius A* è un membro relativamente piccolo e e leggero in questa famiglia, con i suoi quattro milioni di masse solari. Per quel che riguarda i buchi neri stellari, sappiamo come si formano, abbiamo una teoria sostanzialmente completa. Quanto a quelli supermassicci, invece, al momento non ci sono certezze ma varie, possibili spiegazioni».

Allora, non sono originati dalla morte di stelle immensamente grandi, dalle dimensioni inimmaginabili per chi non è uno scienziato come lei?

«Nel caso dei buchi neri supermassicci non c’è una spiegazione semplice come quella riguardante i buchi neri stellari, di cui sappiamo appunto che sono la conseguenza della morte di una stella. Nell’Universo – e a dirlo sono gli studi scientifici, nei quali non mi addentro per non farla troppo complicata – non c’è infatti modo che si formi una stella di milioni o miliardi di masse solari che porti poi a un buco nero di massa equivalente. Quindi, le teorie più gettonate e che hanno anche riscontri nelle osservazioni dicono che quando si formano le protogalassie (ossia le galassie primordiali, di fatto nubi di gas), le stesse hanno al loro centro quello che noi chiamiamo un buco nero seme. E quando le protogalassie si fondono fra loro, dando vita a galassie vere e proprie e sempre più grandi, si fondono insieme anche i rispettivi buchi neri. Il buco nero che deriva da questa fusione ha una massa pari alla somma di quelle dei singoli buchi neri seme che l’hanno costituito. Ripetendo tale processo molte volte, si può quindi raggiungere l’equivalente di milioni e pure miliardi di masse solari».

Insomma, le galassie e i buchi neri si comportano come una palla di neve che rotolando lungo un pendio diventa sempre più grande e pesante, giusto?

«È proprio così e tale processo tecnicamente è chiamato clustering gerarchico. Questo, come meccanismo, è quel che comprendiamo oggi a proposito della formazione delle galassie e dei buchi neri supermassicci. E poiché le galassie nell’Universo sono miliardi, altrettanti sono i buchi neri supermassicci. Calcoliamo che quelli stellari sono invece milioni solo per quel riguarda la Via Lattea, la nostra galassia, così che nell’Universo il loro numero è di milioni di miliardi».

Pensando alla fotografia di Sagittarius A*, all’uomo della strada potrebbe sembrare poca cosa, se paragonata alle immagini che ci ha già offerto il nuovo telescopio spaziale James Webb.

«Il James Webb è uno strumento straordinario che di fatto moltiplica di un fattore dieci e anche di più le capacità di quello che era ed è ancora, come capacità di osservazione, il suo predecessore Hubble. Permette infatti di vedere molte più galassie e osservare ancora meglio e soprattutto molto più indietro nel tempo il loro processo di formazione, ossia il clustering gerarchico di cui ho detto prima. Grosso modo, finora il nuovo telescopio spaziale è andato a frugare fino alla galassia Redshift 12, che vuol dire essere arrivati a vedere fino a 200-300 milioni di anni dal Big Bang, l’evento iniziale da cui è scaturito l’Universo, la cui età è di circa 13,7 miliardi di anni. Quindi, il telescopio James Webb, andando indietro nel tempo, arriva già molto vicino al Big Bang, per quel che riguarda il processo di nascita e formazione delle galassie. Gli strumenti come il James Webb – che per osservare gli oggetti celesti sfruttano le radiazioni elettromagnetiche, ossia luce, infrarossi, raggi X, onde radio e quant’altro – hanno però un limite, costituito da un muro oltre il quale i loro occhi, per così dire, non potranno andare, risalendo all’indietro nel tempo e avvicinandosi così al Big Bang, quando tutto è iniziato».

Qual è questo muro, questo limite per ora invalicabile?

«Noi riceviamo la luce (cioè i fotoni) dalle galassie lontane perché essa può viaggiare indisturbata attraverso lo spazio. Tuttavia, fino a 300.000 anni dopo il Big Bang l’Universo era così caldo e denso che i fotoni “rimbalzavano” in continuazione contro i protoni e gli elettroni che costituivano il plasma primordiale. Di conseguenza, nessun fotone appartenente a quell’epoca può giungere direttamente a noi».

Come si potrebbe risolvere il problema, così da poter andare a vedere ancora più indietro nel tempo rispetto a questi fatidici 300.000 anni dal Big Bang?

«Qui, prima di rispondere a questa domanda, occorre dire che ci sono due cose che saranno rivoluzionarie per le ricerche e gli studi astronomici. La prima è già diventa realtà con l’attivazione del telescopio spaziale James Webb, che permetterà di studiare ancor più nei dettagli l’evoluzione delle galassie e di capire molto dei pianeti extrasolari, a partire dalla composizione della loro atmosfera, dalla presenza di acqua o meno e parecchio altro. L’ulteriore rivoluzione è invece in divenire ed è costituita dall’ancor giovane branca dell’astronomia delle onde gravitazionali, in particolare con un progetto guidato dall’ESA (l’Agenzia spaziale europea) che vede coinvolti anche noi dell’Università di Milano-Bicocca e a cui collabora pure la NASA. È il progetto LISA, acronimo di Laser Interferometer Space Antenna».

Prima di entrare nei dettagli del progetto LISA e farci capire perché potrebbe aiutarci a superare la barriera per ora invalicabile della radiazione cosmica di fondo, ci spieghi cosa sono le onde gravitazionali.

«Quando due corpi celesti interagiscono fra loro, si producono delle perturbazioni dello spazio, onde come quelle che si creano quando ci mettiamo a far girare un dito nell’acqua di una pozzanghera. E grazie a queste onde, chiamate appunto gravitazionali, le quali si diffondono alla velocità della luce, noi astronomi possiamo ricostruire il meccanismo dell’interazione fra corpi celesti. Per studiare la fusione fra buchi neri stellari ci basiamo sulle onde gravitazionali che sulla Terra intercettiamo grazie a due osservatori specializzati, il LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) negli Stati Uniti e il Virgo a Cascina, vicino a Pisa. Il nocciolo del sistema di LIGO e Virgo è costituito da interferometri: sono strumenti laser i cui raggi – su distanze di tre chilometri come nel caso di Virgo – subiscono delle interferenze quando vengono attraversati da un’onda gravitazionale. E una volta rilevata l’interferenza e determinata la natura dell’onda gravitazionale, siamo in grado di andare a ricostruire il meccanismo che ha provocato quel tipo di onda gravitazionale e capire quali sono gli oggetti celesti in gioco».

Veniamo ai dettagli di LISA, il progetto a cui lei e i suoi colleghi lavorate.

«Si tratterà di lanciare – nei primi anni del prossimo decennio, stando ai piani – tre satelliti a una distanza dalla Terra circa dieci volte maggiore rispetto a quella a cui è posizionato il telescopio James Webb (1,5 milioni di km, ndr) e che si troveranno a due milioni e mezzo di chilometri l’uno dall’altro. Collegati fra loro, con i raggi laser di cui saranno dotati costituiranno un interferometro gigante che potrà rilevare anche le onde gravitazionali a bassa frequenza, cosa impossibile da fare con LIGO e Virgo a causa dei disturbi provocati dalla gravità della Terra. Innanzitutto, LISA ci permetterà di studiare i buchi neri supermassicci ovunque si trovino nell’Universo, per capire ancora meglio come si fondono fra loro – unitamente alle rispettive galassie – e ulteriori aspetti, come ci auguriamo. LISA, però, ha già solleticato anche l’interesse dei cosmologi, i quali si occupano dell’Universo nel suo insieme per capirne la nascita e la sua evoluzione. Al progetto LISA sono pure interessati i fisici specializzati nell’interazione delle particelle fondamentali, quelle che contribuiscono a formare tutto ciò che conosciamo, vediamo, tocchiamo, ciò che siamo come uomini, esseri viventi. E questo perché potremmo proprio scoprire da cosa deriva tutto quel che c’è nell’Universo».

Eccoci dunque al nocciolo della questione.

«Sì, ci siamo arrivati. Grazie a LISA, potenzialmente, potremmo essere in grado di rilevare un fondo cosmico sufficientemente forte di onde gravitazionali provocate da processi fisici avvenuti subito dopo il Big Bang e durante la cosiddetta inflazione, la sua espansione estremamente rapida e imponente. Ossia quei fenomeni che al momento non siamo in grado di osservare in nessun altro modo a causa della barriera che ci impedisce di andare a frugare con i nostri strumenti nei primi 300.000 anni di vita dell’Universo, quando ancora la radiazione elettromagnetica non poteva viaggiare liberamente. Se le nostre speranze si tradurranno in realtà, con LISA potremmo osservare l’Universo giovane, ossia i suoi primi secondi o addirittura frazioni di secondo dopo il Big Bang. Il che non solo costituirebbe una scoperta epocale, ma addirittura assolutamente rivoluzionaria nel campo della scienza e del

È quindi il buio assoluto come quello che caratterizza i buchi neri che potrebbe regalarci l’illuminazione più grande e fors’anche definitiva nella storia delle scienze astronomiche?

«Potrebbe proprio essere così, anche se nell’astronomia, come in ogni altra scienza, di definitivo, fortunatamente, non c’è mai nulla. C’è sempre qualcosa di nuovo da andare a scoprire, pur se è vero che un conto sono le speranze e un altro è riuscire a effettivamente raggiungere i traguardi e gli obiettivi a cui si tende. Quanto al buio, il mio campo di ricerca e di molti miei altri colleghi nel mondo è proprio il lato oscuro dell’Universo, che è altrettanto importante di quello visibile agli occhi di telescopi come Hubble o l’ancor più straordinario James Webb. Un lato oscuro che grazie all’astronomia delle onde gravitazionali ha già aperto e aprirà ancora nuove, affascinanti porte».

L’Event Horizon Telescope
Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, la nostra galassia, è stato fotografato dal telescopio EHT, acronimo di Event Horizon Telescope. Non si tratta di uno strumento unico, ma di una rete di otto radiotelescopi sparsi sul nostro pianeta grazie ai quali la Terra, di fatto, è diventata un’antenna sufficientemente grande per raggiungere lo scopo di fotografare i buchi neri supermassicci.

La prima fotografia
L’immagine di Sagittarius A* è stata presentata al pubblico dagli astronomi che partecipano al progetto EHT il 12 maggio di quest’anno. Il primo buco nero supermassiccio fotografato grazie all’Event Horizon Telescope è però stato M87, che si trova al centro della galassia ellittica gigante Virgo A e dista dalla Terra 55 milioni di anni luce. L’immagine di M87, la cui massa è di 6,5 miliardi più grande rispetto a quella del nostro Sole, è stata svelata al pubblico il 10 aprile del 2019. La massa di Sagittarius A*, a titolo di paragone, corrisponde invece a 4 milioni di masse solari.

Per approfondire
Ecco un paio di libri per saperne di più. Uno è L’ombra di Einstein – Un buco nero, un gruppo di astronomi e la sfida per vedere l’invisibile di Seth Fletcher (Bellati Boringhieri, 2019). L’altro è L’irresistibile attrazione della gravità – Viaggio alla scoperta dei buchi neri di Luciano Rezzolla (Rizzoli, collana BUR, 2022).