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Per decenni la fisica ha messo i buchi neri estremali nella casella delle cose impossibili, roba da lavagna e da esercizio teorico, niente che potesse esistere davvero là fuori. Poi è arrivato un lavoro matematico che ha ribaltato il tavolo, mostrando che quegli oggetti così strani non solo sono coerenti con i conti, ma anche con le leggi della fisica. Un errore collettivo durato tantissimo tempo, insomma, e correggerlo apre parecchie porte interessanti.
Partiamo dalle basi, perché servono. Per descrivere un buco nero bastano tre proprietà: massa, carica elettrica e spin. Quelli dotati di carica o di rotazione hanno due orizzonti. Il primo è l’orizzonte degli eventi, la soglia oltre la quale qualsiasi cosa entri precipita verso l’interno senza alcuna possibilità di tornare indietro. Il secondo è l’orizzonte di Cauchy, che delimita una zona dove la relatività generale smette di poter prevedere alcunché.
Buchi neri: la censura cosmica e quel limite chiamato estremalità
Nel 1969 il fisico e matematico britannico Roger Penrose propose un’idea rimasta celebre: l’orizzonte di Cauchy dovrebbe sempre restare nascosto dentro l’orizzonte degli eventi, altrimenti si genererebbe una singolarità. È la cosiddetta ipotesi della censura cosmica, uno dei pilastri concettuali con cui si ragiona su questi oggetti.
Ora, quando la carica o lo spin di un buco nero aumentano succede una cosa curiosa. L’orizzonte di Cauchy si allarga, mentre l’orizzonte degli eventi si restringe. Continuando su questa strada i due finiscono per coincidere, e quel punto di incontro è ciò che viene chiamato estremalità. In quella condizione la gravità superficiale è pari a zero e, dato che la temperatura di Hawking è proporzionale proprio alla gravità superficiale, il buco nero non dovrebbe emettere radiazione di Hawking. Temperatura zero, quindi.
Qui casca l’asino, o almeno così sembrava. La terza legge della termodinamica stabilisce che un sistema non può raggiungere lo zero assoluto, e da questo i fisici hanno dedotto per decenni che nessun buco nero potesse ricreare le condizioni necessarie all’estremalità. Un ragionamento pulito, elegante, apparentemente inattaccabile.
Il lavoro che ha cambiato le carte in tavola
Tutto è cambiato nel 2024, quando Christoph Kehle, matematico tedesco che insegna al Massachusetts Institute of Technology, e Ryan Unger, matematico tra Stanford e Berkeley, hanno pubblicato uno studio in cui sostengono che un buco nero può effettivamente raggiungere l’estremalità senza dare origine a una singolarità nuda.
Una precisazione veloce, perché il termine merita una spiegazione. Si parla di singolarità nuda quando la curvatura dello spaziotempo diventa infinita, la relatività generale perde validità e si forma una singolarità gravitazionale esposta, senza un orizzonte degli eventi a mascherarla. Roba che ai fisici, storicamente, mette parecchia inquietudine.
Kehle e Unger hanno individuato due meccanismi che permettono di arrivare all’estremalità senza far comparire nulla del genere. Il primo consiste nell’aggiungere gradualmente materia carica al buco nero. Il secondo prevede di sparare un fascio di particelle cariche verso una regione vuota dello spazio e innescarne il collasso, così da generare direttamente un buco nero estremale. Sembrano due scenari artificiosi, va detto, ma il punto non è la loro praticabilità in laboratorio. Il punto è che descrivono situazioni in cui l’esistenza di questi oggetti esotici è sostenuta non solo dalla matematica, ma anche dalle leggi della fisica.
E perché tutto questo conta? Perché i buchi neri estremali sono interessanti su più fronti. Pur avendo temperatura zero conservano entropia, il che li rende candidati eccellenti per capire di cosa siano fatti i buchi neri su scala microscopica. In teoria sarebbe anche possibile osservarli: se gli astrofisici ne trovassero uno, la materia che vi cade dentro dovrebbe lasciare una traccia diversa rispetto a quella prodotta da un buco nero convenzionale. E poi c’è il bonus, per così dire, visto che questi oggetti mettono in discussione la terza legge della termodinamica e offrono ai fisici un’occasione niente male per riformularla.
