Un orizzonte degli eventi non ha materiale da toccare, nessun colore, nessuno spessore — eppure è il confine più assoluto dell'universo. Attraversalo, e nemmeno un raggio di luce puntato esattamente nella direzione da cui sei venuto potrà sfuggire. Nulla segna quel punto, se non la matematica che lo descrive.
Questa combinazione, un confine che è al tempo stesso ovunque-e-in-nessun-luogo e assolutamente definitivo, è ciò che distingue un buco nero da qualsiasi altro oggetto in astronomia. Pianeti e stelle hanno superfici su cui, in linea di principio, si potrebbe stare in piedi. Un orizzonte degli eventi è invece un confine nello spaziotempo stesso, e le regole sui due lati non sono le stesse.
La storia di come i fisici siano arrivati a comprendere questo confine va da una lettera del 18° secolo a una fotografia del 2019, e continua a far emergere idee ancora più strane del buco nero stesso.
Un confine previsto prima ancora che esistesse una parola per descriverlo
Il primo abbozzo dell'idea risale al 1784, quando il chierico e astronomo inglese John Michell propose che la gravità nei pressi di un oggetto sufficientemente massiccio e compatto potesse essere così forte da impedire persino alla luce di sfuggirgli. Non esisteva ancora la relatività generale, né un nome per il confine descritto da Michell — solo l'aritmetica di una velocità di fuga capace di superare quella della luce stessa.
Il nome arrivò generazioni più tardi, a metà del secolo, quasi come un ripensamento. Il fisico Wolfgang Rindler coniò il termine «orizzonte degli eventi» negli anni '50, prendendo in prestito la parola «orizzonte» per indicare qualcosa che nasconde eventi anziché terra. Una definizione più rigorosa arrivò nel 1958, quando David Finkelstein utilizzò la relatività generale per descrivere l'orizzonte come un confine oltre il quale nulla di ciò che accade può mai influenzare un osservatore esterno. Questa formulazione è ancora quella usata dai fisici: l'orizzonte degli eventi non è definito da ciò che contiene, ma da ciò che non può mai uscirne.
Un raggio che si può calcolare su un tovagliolo
Per quanto astratta possa sembrare la definizione, la dimensione di un orizzonte degli eventi è uno dei numeri più semplici da calcolare in fisica, una volta nota la massa di un oggetto. Si tratta del raggio di Schwarzschild, che prende il nome dall'astronomo tedesco Karl Schwarzschild, il quale trovò la soluzione nel 1916, a pochi mesi dalla pubblicazione della relatività generale da parte di Einstein.
Basta inserire una massa qualsiasi e il raggio emerge subito, il che permette confronti piuttosto vividi. Comprimendo il Sole fino al suo raggio di Schwarzschild, dovrebbe stare in una sfera di circa 3,0 km (1,9 miglia) di diametro. Facendo lo stesso con la Terra, la sfera si riduce a circa 9 mm (0,35 pollici) — più piccola di una biglia. Quella della Luna sarebbe di circa 0,1 mm (0,004 pollici), un confine che potrebbe perdersi sulla punta di un dito. Nessuno di questi corpi è lontanamente abbastanza denso da formare davvero un orizzonte; il numero descrive solo quanto ne siano distanti.
All'altro estremo della scala, il raggio di Schwarzschild del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea risulta essere di circa 12 milioni di chilometri — un confine che inghiottirebbe comodamente l'orbita di Mercurio.
Più acqua di qualsiasi oceano, un attimo prima di collassare
La formula del raggio di Schwarzschild nasconde un'implicazione davvero singolare: poiché scala con la massa, mentre le dimensioni fisiche di un oggetto scalano con la radice cubica del suo volume, un materiale a bassa densità può oltrepassare il proprio confine se ce n'è semplicemente abbastanza. Calcolando quanta acqua ordinaria si potrebbe accumulare prima che l'intera massa collassi sotto la propria gravità, la risposta è una sfera con un raggio di circa 400920754 km, ossia circa 2,67 UA — più della distanza tra il Sole e la fascia degli asteroidi.
Questo è anche il motivo per cui i buchi neri più grandi sono, in media, meno estremi di quelli piccoli. Il volume racchiuso dall'orizzonte degli eventi dei buchi neri più massicci ha una densità media inferiore a quella delle normali stelle di sequenza principale. Un orizzonte segna il punto in cui la fuga diventa impossibile, non quello in cui la materia è compressa al limite — e per un oggetto abbastanza grande, «impossibile da cui fuggire» e «sottile come una stella» possono descrivere lo stesso luogo.
Non vedresti mai nessuno cadere davvero dentro
Ecco la parte che confonde persino i lettori più attenti: un orizzonte degli eventi si attraversa in un solo senso, ma dall'esterno nessuno può mai osservare l'attraversamento mentre accade. Gli oggetti inviati verso un orizzonte degli eventi non sembrano mai raggiungerlo realmente, dal punto di vista di un osservatore distante, perché la luce che porterebbe quell'immagine finale non riesce mai a raggiungere l'osservatore. L'oggetto in caduta sembra rallentare, affievolirsi e sbiadire verso l'orizzonte per sempre, senza mai arrivarci in modo visibile.
Se la caduta stessa sarebbe sopravvivibile dipende interamente dalla scala. Un astronauta umano sopravvivrebbe ad attraversare un orizzonte degli eventi solo in un buco nero con una massa di circa 10.000 masse solari o superiore — con qualsiasi valore inferiore, le forze di marea vicino al confine causerebbero i danni ben prima di raggiungere l'orizzonte stesso.
Il punto di non ritorno, allungato al limite
Quel danno ha un nome: spaghettificazione. Vicino a un buco nero, la differenza di attrazione gravitazionale tra il lato vicino e quello lontano di un oggetto diventa così estrema che nulla può resistere all'allungamento lungo la direzione della caduta. Un piccolo buco nero produce questo effetto ben al di fuori del proprio orizzonte, ed è esattamente per questo che uno di massa ridotta è letale molto prima che un astronauta si avvicini anche solo lontanamente al confine.
Se però si aumenta la scala del buco nero, la geografia cambia. Per un buco nero supermassiccio, il punto in cui inizierebbe la spaghettificazione si trova all'interno dello stesso orizzonte degli eventi, quindi un astronauta potrebbe attraversare il confine senza avvertire alcun allungamento — anche se cadere verso il centro in seguito resta inevitabile. È possibile, in altre parole, superare il punto di non ritorno e sentirsi perfettamente bene, almeno per un po'.
Fotografare una sagoma che nessuno può vedere
Un orizzonte degli eventi non emette luce propria, quindi nessun telescopio può fotografarlo direttamente — ciò che gli astronomi possono catturare è la sua sagoma stagliata contro il gas incandescente e surriscaldato che vortica appena all'esterno. È proprio questa sagoma che l'Event Horizon Telescope, una rete globale di radiotelescopi che opera come un unico strumento, si è proposto di catturare. La prima immagine in assoluto di un buco nero, al centro della galassia Messier 87, fu pubblicata dalla Event Horizon Telescope Collaboration il 10 aprile 2019, distribuita contemporaneamente su sei pubblicazioni scientifiche.
I numeri dietro quell'immagine sono sorprendenti di per sé. Il telescopio ha misurato la massa di quel buco nero in 6,5±0,7 miliardi di masse solari e il diametro del suo orizzonte degli eventi in circa 40 miliardi di chilometri (270 UA), circa 2,5 volte più piccolo dell'ombra luminosa mostrata effettivamente dall'immagine — l'ombra risulta ingrandita dal modo in cui la luce si curva attorno all'orizzonte prima di raggiungere la Terra. Il 12 maggio 2022, la stessa collaborazione ha svelato un secondo ritratto: il buco nero supermassiccio al centro della nostra Via Lattea, Sagittarius A*.
Entrambe le immagini dipendevano da una risoluzione senza precedenti. Dal 2018, l'Event Horizon Telescope ha ripreso a una lunghezza d'onda di 870 micrometri (345 GHz), raggiungendo una risoluzione angolare di 19 microarcosecondi — la più elevata tra tutti i telescopi terrestri, all'incirca quanto servirebbe per leggere il titolo di un giornale sulla superficie della Luna, osservandolo dalla Terra.
Un debole bagliore proprio al confine
Persino il confine più assoluto della fisica si rivela avere una scappatoia, almeno in teoria. La radiazione di Hawking viene emessa appena fuori dall'orizzonte degli eventi di un buco nero, secondo un modello di effetti quantistici sviluppato da Stephen Hawking nel 1974. L'orizzonte in sé continua a non lasciar uscire nulla — la radiazione è un processo quantistico separato che avviene proprio sulla sua soglia, non luce che sfugge da dietro il confine.
È un promemoria del fatto che l'orizzonte degli eventi, per quanto definitivo, non è l'ultima parola su ciò che un buco nero può fare. È semplicemente la linea oltre la quale l'universo smette di tenerti informato.