Il fenomeno che distrugge i buchi neri: la radiazione di Hawking e la loro lenta evaporazione

Per decenni, più precisamente dal 1916, quando l’astrofisico teorico Karl Schwarzschild ne aveva fornito un’esatta formulazione matematica, si era pensato che i buchi neri, una volta formati, fossero eterni e destinati unicamente ad accrescere la loro massa.

Fu proprio Stephen Hawking a mettere in dubbio questa visione, ipotizzando che i buchi neri non solo potessero “evaporare” ma evaporare fino a sparire.

La radiazione di Hawking

Hawking ha teorizzato che i buchi neri possano emettere una sorta di radiazione, chiamata in suo onore “radiazione di Hawking”. Tuttavia, precisiamo subito che tale radiazione, ipotizzata teoricamente, non è mai stata osservata direttamente in nessun buco nero.

In effetti, la radiazione di Hawking non viola ciò che sappiamo essere la caratteristica del buco nero e cioè che la sua forza di attrazione gravitazionale è così intensa che nulla, neanche la luce, riesce a fuoriuscirne.

Questa radiazione non viene emessa dal buco nero ma viene prodotta in sua prossimità, cioè nei pressi di quello che viene definito “orizzonte degli eventi”. Qui avviene qualcosa di incredibile e molto raro, in qualche modo meccanica quantistica e gravità interagiscono.

Nel mondo microscopico un processo comune è quello della formazione di coppie di particelle e antiparticelle virtuali. La rapidità con cui le due particelle di questa coppia si formano è pari alla rapidità con cui, annichilandosi tra loro scompaiono, senza lasciare traccia. Per utilizzare una similitudine, è come se nell’universo si formassero continuamente micro bolle che subito dopo scoppiano senza lasciare traccia.

Ma in prossimità dell’orizzonte degli eventi le cose vanno diversamente. Succede che dopo la formazione della coppia particella-antiparticella, una sola delle due venga catturata dal buco nero mentre l’altra riesce a sfuggire via. Proprio queste particelle che riescono a sfuggire via nello spazio rappresentano la radiazione di Hawking.

Poiché l’energia complessiva nell’Universo non si crea e non si distrugge, allora per questo principio di conservazione dell’energia, la particella che precipita nel buco nero deve avere energia negativa da un punto di vista quantistico. Siccome massa ed energia sono equivalenti, l’aumento di energia negativa del buco nero ne diminuisce la massa.

In maniera figurata è come se il buco nero stesse evaporando (non sotto forma di vapore ma di radiazione di Hawking) e la sua massa stesse di conseguenza diminuendo.

Dopo tempi lunghi, paragonabili o superiori alla durata dello stesso Universo, il buco nero potrebbe evaporare completamente.

Non solo una curiosità ma uno strumento diagnostico

Come dicevamo, questa radiazione di Hawking non è stata ancora direttamente osservata emergere dall’orizzonte degli eventi di un buco nero. Tuttavia, esperimenti di laboratorio, come quello riportato nel 2016 dal fisico Jeff Steinhauer, hanno simulato analoghi dei buchi neri, osservando fenomeni simili alla radiazione di Hawking.

Non si tratta tanto di una curiosità, piuttosto la radiazione di Hawking rappresenta uno strumento unico per poter studiare cosa succede nei pressi dei buchi neri, ma anche uno strumento per studiare l’interazione diretta tra gravità e meccanica quantistica.

Questa possibilità permetterebbe di fare un salto di qualità nella comprensione della vera natura del nostro Universo, in direzione della tanto desiderata teoria unificata o teoria del tutto.

Chi era Stephen Hawking

Stephen Hawking, nato a Oxford nel 1942, è stato uno dei più grandi fisici teorici del XX secolo. La sua attività di ricerca si è svolta a Cambridge, dove ha sviluppato importanti teorie sui buchi neri e sull’origine dell’universo.

Per molti non specialisti il suo nome è legato al celebre libro divulgativo "Dal Big Bang ai buchi neri". Ma in ambito più specialistico, è famoso per la scoperta della radiazione cosiddetta di Hawking, che ha rivoluzionato la cosmologia moderna. Affetto da SLA, ha continuato a lavorare e divulgare scienza fino al 2018, data della sua scomparsa.