Amici della Scienza

La teoria di Hawking sugli universi paralleli, dalla caccia ai capelli alla spettroscopia

Cosa accade a un oggetto fisico quando finisce all’interno di un buco nero? Uno dei misteri più suggestivi e discussi dell’universo potrebbe aver trovato una risposta. A teorizzarla è stato uno dei massimi esperti della materia, Stephen Hawking. Secondo il fisico teorico, ciò permetterebbe di risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero, secondo cui l’informazione fisica potrebbe sparire in un buco nero. Così non è secondo l’ultima teoria di Hawking.

Per il fisico, l’informazione viene mantenuta parzialmente nelle particelle a due dimensioni sull’orizzonte degli eventi, la sfera che circonda il buco nero. La stessa informazione potrebbe riemergere nel nostro universo o anche in un universo parallelo, attraverso la radiazione di Hawking. Quest’ultima, secondo le ipotesi, è una radiazione termica emessa dai buchi neri a causa degli effetti quantistici.

Nel 2015, insieme ad alcuni colleghi Stephen Hawking aveva accennato alle ricerche portate avanti per risolvere il paradosso dell’informazione. Ora lo studio è stato pubblicato e mostra la soluzione fornita dagli scienziati. La risposta sarebbe nei “peli” che si formano sulla orizzonte degli eventi, creando una sorta di impronta olografica bi-dimensionale. Per Hawking l’esistenza di questi “peli” è dimostrabile. Una scoperta che potrebbe valere il Premio Nobel.

universi paralleli

Ma facciamo un passo indietro. Il problema dei buchi neri è che, secondo la teoria generale della relatività di Einstein e in base a quello che sappiamo su come la gravità interagisce con l’universo e su cosa accade alle informazioni che attraversano il confine di un buco nero (orizzonte degli eventi), un’informazione si perde per sempre. Ciò vale anche per la luce.

Nel 1970, Hawking ha proposto l’idea che l’Universo sia pieno di “particelle virtuali” che si annientano non appena vengono a contatto. In questo scenario, una particella viene inghiottita e l’altra si irradia nello spazio. Quando un buco nero scompare, le informazioni vengono perse per sempre. Ciò costituisce un problema, perché secondo la meccanica quantistica le informazioni non possono essere perse. Da qui il paradosso. La questione della presenza o meno di “peli” nel buco nero potrebbe risolvere il paradosso ed è ciò su cui si è soffermato Hawking.

“Penso che l’informazione non venga memorizzata all’interno del buco nero come ci si potrebbe aspettare, ma nel suo confine, l’orizzonte degli eventi, Il buco nero non è così nero come viene dipinto. Non è la prigione eterna che una volta si pensava. Le cose possono uscire da un buco nero sia all’esterno sia in un altro universo”. ha detto Hawking in una conferenza ad agosto 2015. 

Nel documento, che è stato pubblicato online su arXiv.org, secondo Hawking e i colleghi Malcolm J. Perry dell’Università di Cambridge e Andrew Strominger di Harvard è possibile spiegare come l’informazione possa sfuggire a un buco nero dopo essere stata risucchiata.

“Abbiamo dimostrato che quando una particella carica entra, si aggiunge un fotone al buco nero. Quindi si aggiungono ‘capelli’ al buco nero”. ha detto Seth Strominger Fletcher a Scientific American.

L’idea è che quando particelle cariche vengono risucchiate in un buco nero, le loro informazioni lascino dietro di sé una sorta di impronta olografica bi-dimensionale sull’orizzonte degli eventi.

Teorema no-hair

Il teorema no-hair afferma che un buco nero è completamente caratterizzato da tre parametri fisici: massa, carica elettrica, e momento angolare. In pratica, le osservazioni indicano che i buchi neri non possiedono una carica elettrica, quindi i parametri fondamentali sono solo la massa e il momento angolare (o spin). Dopo il collasso gravitazionale del corpo che produce il buco nero, tutte le altre informazioni sull’oggetto (i “capelli”), diventano del tutto inaccessibili, in quanto scompaiono dietro l’orizzonte degli eventi del buco nero. Ad esempio, sono perse tutte le informazioni sulla natura e sul numero delle particelle i cui era composto il corpo. Il nome del teorema deriva da una frase del fisico John Archibald Wheeler: “a black hole has no hair“, che sottolinea scherzosamente la perdita di informazioni in un buco nero.

La dimostrazione di questo teorema è stata completata nel corso di anni grazie agli sforzi di diversi autori, tra cui Werner Israel, Brandon Carter, Stephen Hawking e Roger Penrose. Un primo decisivo passo verso il teorema fu ottenuto da Israel, che riuscì a dimostrare che una soluzione statica delle equazioni di Einstein nel vuoto deve possedere simmetria sferica. Ma per il teorema di Birkhoff, la metrica di Schwarzschild è l’unica soluzione a simmetria sferica, e di conseguenza anche l’unica soluzione statica. Lo stesso Israel estese il risultato al caso di buco nero elettricamente carico, che nel caso statico genera la metrica di Reissner-Nordström.

Fu quindi congetturato da Israel, Penrose e Wheeler che la soluzione più generale nel caso stazionario fosse la metrica di Kerr-Newman. È possibile oggi dimostrare tale congettura, introducendo opportune ipotesi matematiche, che non inficiano la validità generale del risultato dal punto di vista fisico.

Seppure il teorema rimanga formalmente corretto, lo stesso Hawking ha iniziato a dubitare della sua rilevanza fisica: alcune delle ipotesi di base infatti sembrano essere troppo stringenti ed il modello potrebbe non riuscire a descrivere l’effettiva ricchezza della situazione fisica in esame. Nuovi modelli, basati su ipotesi più rilassate e un nuovo paradigma, sono in corso di stesura a partire dal 2014; tali classi di modelli sono noti come “buchi neri dai capelli soffici”.

Simulazioni sui buchi neri

Simulazioni al computer e nuove analisi dei dati di LIGO-Virgo confermano il teorema no-hair: i buchi possono essere descritti da due semplici parametri come la massa e lo stato di rotazione, senza ricorrere a complicati dettagli. Non servono cioè complicati dettagli per descriverli, secondo una fortunata metafora coniata dal cosmologo Archibal Wheeler: bastano due semplici parametri come la massa e lo stato di rotazione. È quanto ha concluso un nuovo studio pubblicato sulla rivista “Physical Review Letters” da Maximiliano Isi del LIGO Laboratory, Massachusetts Institute of Technology a Cambridge, e colleghi di altri istituti statunitensi.

buchi neri capelli

Sembra così confermato il teorema no-hair, che prevede, sotto opportune ipotesi, che i buchi neri si comportino proprio come indicato dalla teoria generale della relatività di Albert Einstein. Per esempio, nel caso in cui due di essi si fondano per formare un buco nero di dimensioni gigantesche, viene emessa un’onda gravitazionale con una forma e un andamento nel tempo ben precisi, perché l’onda va scemando via via che il processo di fusione si completa. È un po’ come se il buco nero appena formato vibrasse come una campana, producendo un tono caratteristico.

Un ipotetico banco di prova per questo teorema è la rilevazione delle onde gravitazionali da parte dei due interferometri gemelli LIGO, negli Stati Uniti, e di Virgo, in provincia di Pisa. Finora però si pensava che, nonostante i successi degli anni scorsi, l’attuale generazione di questi strumenti non fosse abbastanza sensibili per rilevare quel tono.

Il problema è stato aggirato da Isi e colleghi, che hanno combinato una serie di simulazioni al computer di fusioni di buchi neri con una nuova analisi del primo segnale di onde gravitazionali rilevato direttamente, noto come GW150914, e attribuito proprio a quel tipo di evento catastrofico. L’analisi ha portato all’identificazione di due toni emessi in seguito al processo, toni le cui caratteristiche sono in linea con quanto prescrivono la relatività generale di Einstein e il teorema no-hair.

“In precedenza si riteneva che questi toni fossero troppo deboli per essere rilevati, ma ora siamo in grado di farlo”, ha spiegato Will Farr, coautore dello studio. “Proprio come la misurazione degli spettri atomici alla fine del 1800 ha aperto l’era dell’astrofisica stellare, con la classificazione e la comprensione delle stelle, la rilevazione degli spettri del buco nero può aprire una nuova stagione per lo studio e la comprensione dei buchi neri e della relatività generale che ne costituisce la base teorica.”

Gli autori sottolineano però che la precisione del test non è ancora sufficiente per trarre conclusioni definitive. Si aspettano quindi nuovi eventi di fusione di buchi neri per confermare le conclusioni dello studio.

Dalla caccia ai “capelli” alla spettroscopia del buco nero

Il team di ricercatori coordinati da Isi nello studio pubblicato su Physical Review Letters ha analizzato a fondo le onde gravitazionali del segnale GW150914, emesso proprio dalla fusione di due buchi neri massivi in uno nuovo. L’analisi delle onde gravitazionali e del suo suono caratteristico, noto come “chirp” o cinguettio”, ha permesso di verificare la validità del teorema no-hair.

L’onda gravitazionale infatti viene emessa dalla rapida spiralizzazione dei due buchi neri e il picco del suono emesso è legato al primo momento in cui essi collidono, fondendosi in un nuovo buco nero. Gli scienziati fino ad oggi ritenevano che il suono del buco nero neonato fosse troppo debole da individuare nel frastuono della collisione cataclismatica di due buchi neri massivi, e che per questo motivo potesse essere rilevato solo nella parte più debole del segnale dell’onda gravitazionale, con strumenti di una sensibilità di cui ad oggi non disponiamo.

Il nuovo studio invece dimostra che ascoltare e decodificare il segnale è possibile già ora e con strumenti esistenti. I ricercatori guidati da Isi hanno trovato un modo di “estrarre” il riverbero del buco nero neonato subito dopo il picco, che contiene degli “ovetones”, cioè dei suoni armonici che sono forti e di breve durata. Tenendo conto di questi suoni, è stato possibile isolare lo schema del suono emesso dall’oggetto appena nato.

Isi ha spiegato: “Il segnale di onda gravitazionale nella sua completezza è costituito da multiple frequenze che si smorzano con differenti velocità, come differenti sono i toni che compongono un suono. Ogni frequenza e ogni tono corrispondono quindi a una specifica frequenza vibrazionale del nuovo buco nero”.

Se in studi precedenti si riteneva che le dinamiche del segnale che segue immediatamente dopo la fusione dei due oggetti celesti massivi fossero troppo complesse per essere analizzate, il team guidato da Isi ha deciso di concentrarsi sul segnale nei primi millisecondi dopo il picco e ha scoperto che questo può essere descritto da una semplice combinazione lineare di due modi oscillanti smorzati. Il segnale quindi è composto da un modo fondamentale e più longevo, e da almeno un altro modo che decade rapidamente.

I ricercatori hanno individuato uno schema per il risuonare del buco nero, ottenuto dalle equazioni di campo di Einstein, e hanno stimato la massa e la rotazione che questo oggetto avrebbe dovuto avere. Confrontando i risultati del calcolo con il segnale rivelato da LIGO, i ricercatori hanno ottenuto valori di massa e rotazione per il neonato buco nero che erano coerenti tra loro.

Questo risultato fornisce quindi una prima verifica del teorema no-hair, confermando in questo caso che i suoni emessi dai buchi neri sono una firma diretta della loro massa e rotazione, ed escludendo che possano esserci altri “capelli” o proprietà che li descrivano. Isi, autore dello studio, ha spiegato: “E’ naturale attendersi che la relatività generale è corretta, ma questa è la prima volta che ne abbiamo una conferma così evidente. Il risultato rappresenta la prima misura sperimentale in grado di testare la validità del teorema no-hair, che non implica che i buchi neri non abbiano “capelli” in assoluto, ma che almeno fino a nuove scoperte, è così che possiamo immaginarli”.

Il futuro dei buchi neri

Le analisi dei ricercatori guidati da Isi ha permesso una prima verifica del teorema no-hair e apre la strada alla spettroscopia dei buchi neri, come spiegato in un secondo articolo sulla rivista Physical Review Letters. Analizzando altri oggetti celesti massivi con strumenti che, in futuro, saranno sempre più sensibili permetterà di svelare la natura anche degli “imitatori” di buchi neri, oggetti che non rispettano le previsioni della teoria della relatività generale e del teorema no-hair.

Per Isi quindi ci ritroveremo ad ottenere informazioni su oggetti come le stelle di bosoni o anche le gravastar, stelle di energia oscura, che simulano un buco nero ma non sono dotate di orizzonte degli eventi: “In futuro avremo a disposizione i dati dai migliori rivelatori sulla Terra e nello spazio e saremo in grado di vedere non solo due, ma decine di modi, e definire con precisione le proprietà degli oggetti che osserviamo. Se questi non rispetteranno le previsioni della teoria di Einstein, allora ci troveremo davanti a oggetti esotici come i wormhole o le stelle di bosoni, che emetterebbero un suono diverso da quello ascoltato e avremo un’occasione unica per osservarli e studiarli”.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1.  Hawking, S. W. (2005). Information Loss in Black Holes, arxiv:hep-th/0507171. Stephen Hawking’s purported solution to the black hole unitarity paradox, first reported in July 2004.
  2. W. Israel, Event Horizons in Static Vacuum Space-Times, in Physical Review, vol. 164, nº 5, 1967, p. 1776-1779.
0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Notificami
guest
0 Commenti
Inline Feedbacks
View all comments
Translate »
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x