Buchi neri: misteri dell'universo non ancora compresi a fondo.
In astrofisica un buco nero è un corpo celeste con un campo gravitazionale così intenso da non lasciare sfuggire né la materia, né la radiazione elettromagnetica, ovvero una regione dello spaziotempo avente una curvatura sufficientemente grande, relativisticamente parlando, che nulla al suo interno può uscire all'esterno, nemmeno la luce.[3] La velocità di fuga da un buco nero risulta superiore alla velocità della luce, ma poiché la velocità della luce è un limite insuperabile, nessuna particella di materia o radiazione può allontanarsi da quella regione.
In un tale corpo la gravità domina su qualsiasi altra forza, sicché si verifica un collasso gravitazionale che tende a concentrare lo spaziotempo in un punto di singolarità di curvatura infinita e di "volume nullo";[4]per l'oggetto massiccio al centro della regione, che dà luogo al campo gravitazionale, è teorizzato uno stato della materia definito singolarità, cioè con caratteristiche sconosciute ed estranee alle leggi della meccanica che descrivono il comportamento della materia nell'universo a noi noto, e ipotizzando che il valore della sua densità tenda all'infinito. Attorno al buco nero è presente l'orizzonte degli eventi, la superficie sferica chiusa - geometrica e puramente immaginaria - contenente l'oggetto massiccio, e che delimita la regione dello spazio nella quale si hanno tali condizioni "senza ritorno" ovvero la regione dalla quale classicamente non può uscire alcun segnale: questa superficie (dove la velocità di fuga eguaglia la velocità della luce) può essere attraversata da materia o radiazione che cada verso il buco nero, ma non nel senso opposto.
Un corpo celeste con questa proprietà non può essere osservato direttamente. La sua presenza potrebbe essere rilevata solo indirettamente, rilevando i suoi effetti sulla materia circostante, come le interazioni gravitazionali con altri corpi celesti, o gli effetti sulla materia che vi precipita, o il fenomeno della lente gravitazionale. L'esistenza di buchi neri è oggi attestata, e sono stati individuati oggetti di questo tipo con masse molto variabili, da un minimo di 5 masse solari, fino a buchi neri rilevabili su scala galattica con massa pari a miliardi di masse solari. Sono state raccolte numerose osservazioni astrofisiche interpretabili (anche se non univocamente) come indicazioni dell'effettiva esistenza di buchi neri nell'universo in fenomeni diversi, come le galassie attive o le binarie X.
In astrofisica, il teorema dell'essenzialità[16] (in inglese no hair theorem) postula che tutte le soluzioni del buco nero nelle equazioni di Einstein-Maxwell sulla gravitazione e l'elettromagnetismo nella relatività generale possano essere caratterizzate solo da tre parametri classici esternamente osservabili: massa, carica elettrica e momento angolare.[17] Tutte le altre informazioni riguardanti la materia di cui è formato un buco nero o sulla materia che vi sta cadendo dentro "spariscono" dietro il suo orizzonte degli eventi e sono dunque permanentemente inaccessibili agli osservatori esterni (vedi anche il paradosso dell'informazione del buco nero). Due buchi neri che condividano queste stesse proprietà, o parametri, secondo la meccanica classica sono indistinguibili.
Queste proprietà sono speciali perché sono visibili dall'esterno di un buco nero. Ad esempio, un buco nero carico respinge un altro con la stessa carica, proprio come qualsiasi altro oggetto carico. Allo stesso modo, la massa totale all'interno di una sfera contenente un buco nero può essere trovata utilizzando l'analogo gravitazionale della legge di Gauss, la massa ADM, lontano dal buco nero.[18] Allo stesso modo, il momento angolare può essere misurato da lontano usando l'effetto di trascinamento del campo gravitomagnetico.
Quando un oggetto cade in un buco nero, qualsiasi informazione circa la forma dell'oggetto o della distribuzione di carica su di essa è uniformemente distribuita lungo l'orizzonte del buco nero, e risulta irrimediabilmente persa per l'osservatore esterno. Il comportamento dell'orizzonte in questa situazione è un sistema dissipativo che è strettamente analogo a quello di una membrana elastica conduttiva con attrito e resistenza elettrica -il paradigma della membrana.[19] Questa congettura è diversa da altre teorie di campo come l'elettromagnetismo, che non ha attriti o resistività a livello microscopico, perché sono reversibili nel tempo. Dato che un buco nero alla fine raggiunge la stabilità con solo tre parametri, non c'è modo per evitare di perdere informazioni sulle condizioni iniziali: i campi gravitazionali ed elettrici di un buco nero danno pochissime informazioni su ciò che è stato risucchiato.
L'informazione persa comprende ogni quantità che non può essere misurata lontano dall'orizzonte del buco nero, inclusi numeri quantici approssimativamente conservati, come il totale del numero barionico e leptonico. Questo comportamento è così sconcertante che è stato chiamato il paradosso dell'informazione del buco nero.