Innanzitutto correggiamo un’imprecisione vistosa nella domanda: i buchi neri non vengono rilevati grazie al loro campo gravitazionale. Per quanto esso possa essere intenso, siamo comunque troppo lontani anche dal buco nero più vicino per riuscire a misurare la sua forza gravitazionale direttamente. I nostri strumenti sono, per ovvi motivi, troppo poco massivi per subire degli effetti gravitazionali misurabili e troppo poco sensibili per distinguere gli effetti gravitazionali di un buco nero dagli effetti gravitazionali degli altri oggetti presenti. Basti pensare che ciascuno di noi subisce un’attrazione gravitazionale molto più intensa dalla sedia su cui è seduto piuttosto che dal Sole per capire come le grandi distanze possano influenzare la forza di gravità di oggetti anche molto massicci.
In realtà i buchi neri possono essere rivelati solo indirettamente quando essi fanno parte di un sistema doppio costituito da un buco nero e una stella. Se una stella ha nelle sue prossimità un oggetto massiccio che non emette luce (non necessariamente un buco nero, può anche essere un altro oggetto stellare che emette una radiazione troppo debole per essere rilevata da noi, ad esempio una stella di neutroni) il suo moto sarà disturbato, per cui si vedrà la parte visibile del sistema (la stella) orbitare intorno ad un punto che è nettamente distinto dal suo centro di massa (e che per una stella sostanzialmente coincide con il suo centro geometrico). Queste osservazioni preliminari permettono quindi di capire se nelle prossimità di una stella è presente un altro corpo massiccio che non emette radiazioni o ne emette di molto deboli. Ma questa osservazione non permette di distinguere la tipologia di oggetto "buio". Tuttavia la presenza del buco nero potrà essere evidenziata da due fattori:
a) un flusso di materia che si diparte dalla stella e si organizza su una traiettoria a spirale centrata intorno ad un punto buio dello spazio;
b) un flusso di raggi X e gamma molto energetici che provengono dal centro della spirale;
Il flusso di materia è dovuto al fatto che l’attrazione da parte del buco nero sottrae materia dalla superficie della stella che, essendo gassosa, è composta da materia che può essere sottratta anche da forze superficiali non particolarmente intense. Il flusso di radiazione è dovuto al fatto che la materia calda è ricca di particelle cariche, in particolari ioni di idrogeno. Questa materia carica, precipitando verso il buco nero, accelera rapidamente e quindi emette onde elettromagnetiche con una frequenza tanto più alta quanto più è alta la velocità e l’accelerazione della carca e quindi tanto più alta quanto più la particella carica si avvicina all’orizzonte degli eventi (la superficie che separa la zona dello spazio resa inaccessibile all’osservazione dal buco nero).
Tornando alla domanda centrale e, cioè come sia possibile che il "segnale gravitazionale" sfugga al buco nero, ci sono da fare delle precisazioni. Innanzitutto non è corretto parlare di "segnale". Un segnale è qualcosa che parte da un determinato punto e si diffonde nello spazio o si dirige vero una destinazione. I campi di forza legati ad azioni a distanza, come quello gravitazionale e quello elettromagnetico, sono oggetti presenti in tutto lo spazio, non sono oggetti generati solo nel punto in cui è presente la massa (nel caso della gravità) o la carica (nel caso dell’interazione elettromagnetica). Il fatto che la massa sia la sorgente del campo gravitazione non significa che la forza nasce dove è presente la carica per andare a raggiungere gli altri corpi, ma significa che le caratteristiche del campo gravitazionale sono determinate dalla posizione e dalla densità della materia presente. Quindi un oggetto massivo produce un campo gravitazionale ovunque nello spazio e quindi il campo gravitazionale di un buco nero si estende anche oltre l’orizzonte degli eventi, che è la superficie all’interno della quale la velocità di fuga supera quella della luce nel vuoto e quindi rende impossibile la fuoriuscita di qualunque oggetto da esso. Di conseguenza oltre l’orizzonte degli eventi si sperimenta l’azione gravitazione del buco nero come per qualunque altro oggetto.
Riguardo a questo argomento è opportuno chiarire un errore diffuso sulle caratteristiche della gravità di un buco nero. Ciò che distingue un buco nero da un altro oggetto non è l’intensità del campo gravitazionale ma il fatto che, per un buco nero, l’orizzonte degli eventi ha un raggio maggiore delle dimensioni dell’oggetto che produce il campo gravitazionale. Più precisamente rispetto a quanto detto prima: l’orizzonte degli eventi di un oggetto è la superficie sferica al di sotto della quale la velocità di fuga supera quella della luce nel vuoto.
Se immaginiamo che la massa sia tutta concentrata in un punto geometrico l’andamento della velocità di fuga ai diversi valori di distanza dal punto massivo è rappresentata nel seguente grafico.
La retta orizzontale rappresenta il valore della velocità della luce nel vuoto e quindi l’intersezione delle curve con tale retta individua il raggio dell’orizzonte degli eventi. All’aumentare della massa della sorgente aumenta a velocità di fuga a parità di distanza e di conseguenza aumenta il raggio dell’orizzonte degli eventi. Dato che il campo gravitazione all’esterno di un corpo, se si è abbastanza lontani dalla sua superficie, è sostanzialmente identico a quello di un punto massivo, allora possiamo usare questi risultati anche per delle considerazioni relativa a corpi estesi.
Se l’orizzonte degli eventi calcolato per un punto massivo non contiene tutto l’oggetto che realmente fa da sorgente al campo gravitazionale allora l’oggetto sorgente ha un comportamento ordinario a qualunque distanza maggiore delle dimensioni dell’oggetto sorgente: qualunque oggetto che si trovi all’esterno dell’oggetto può allontanarsi dalla sorgente purché possegga la velocità sufficiente e soprattutto qualunque oggetto che si trovi all’esterno della sorgente emette luce che si propaga in tutte le direzioni, quindi anche all’esterno e può quindi essere percepita a qualunque distanza dall’oggetto.
Se invece l’orizzonte degli eventi per un punto massivo contiene l’oggetto sorgente allora abbiamo un buco nero: gli oggetti che si trovano tra la sorgente e l’orizzonte degli eventi non possono allontanarsi in nessun modo da esso perché non posso raggiungere e superare la velocità della luce nel vuoto, per lo stesso motivo neanche la luce da loro emessa si propaga verso l’esterno ma viene attirata e inghiottita dalla sorgente del campo gravitazionale.
Detto ciò bisogna capire che tuttavia, all’esterno dell’orizzonte degli eventi, il campo gravitazionale ha un comportamento del tutto ordinario e del tutto identico a quello che sarebbe generato da un oggetto di massa pari al buco nero ma non così piccolo da avere un orizzonte degli eventi esterno: se sostituissimo istantaneamente il Sole con un buco nero di pari massa le orbite dei pianeti non subirebbero alcuna modifica, cambierebbe solo la quantità di radiazione che giungerebbe ad essi (che praticamente si azzererebbe). Per cui all’esterno dell’orizzonte degli eventi un buco nero non produce effetti gravitazionali che lo distinguono da oggetti gravitazionali ordinari: solo effetti particolari non direttamente gravitazionali che si realizzino nella sua prossimità (come la produzione di raggi X e gamma di cui si parlava prima) possono permettere la sua individuazione.