L’analogia tra l’idrodinamica e la gravità è stata portata avanti da numerosi fisici sperimentali di tutto il mondo negli ultimi decenni, nel tentativo di sviluppare modelli analoghi alla gravità per testare fenomeni gravitazionali in un ambiente di laboratorio controllato.

Le simulazioni di buchi neri con l’acqua sono possibili perché la matematica che descrive il comportamento dell’acqua è simile alla matematica che descrive il comportamento di cose come le onde gravitazionali. 

Le interazioni gravitazionali avvengono in modi fluidi, quindi puoi usare un fluido per studiarle. Tuttavia, esistono limitazioni a questi modelli liquidi, quindi è necessario tenere presenti questi limiti quando si studiano le simulazioni di buchi neri fatte nell’acqua.

Un problema con i modelli acquatici dei buchi neri è che è necessario guidare la simulazione per mantenerla. Supponi di voler studiare come la materia potrebbe essere catturata da un buco nero. 

Puoi simulare il buco nero con un vortice d’acqua, simile al vortice di un tornado che a volte vedi quando svuoti una vasca da bagno. Per mantenere attivo il vortice, è necessario alimentare il sistema in modo che il pattern rimanga stabile abbastanza a lungo da poter ottenere buoni dati.

Per questo motivo, si pensava generalmente che i modelli dell’acqua non potessero imitare l’effetto che dovrebbe verificarsi nei buchi neri reali, noto come backreaction. 

Cos’è la backreaction

La backreaction si verifica quando c’è un’interazione in cui un oggetto reagisce con il suo ambiente. Ad esempio, quando un buco nero cattura la materia, la sua massa aumenta. 

Questo aumento di massa cambia il modo in cui il buco nero deforma lo spazio intorno ad esso, cambiando così leggermente lo spazio circostante. 

La backreaction è un fenomeno importante, ma è sottile e difficile da studiare.

Recentemente, tuttavia, un team ha scoperto che la reazione inversa (backreaction) può essere vista nei modelli di simulazione dell’acqua. 

La ricerca ha analizzato come uno sfondo di onde gravitazionali potrebbe interagire con un buco nero rotante. Nel loro modello ad acqua, hanno creato un vortice d’acqua che simula un buco nero e quindi hanno generato un’increspatura di onde verso il vortice. 

La reazione tra il vortice e le increspature ha fatto sì che il vortice crescesse più rapidamente del normale. In questo modo, le onde gravitazionali potrebbero accelerare la crescita di un buco nero attraverso un effetto di backreaction.

Nella simulazione in acqua, la backreaction si è rivelata abbastanza forte da consentire al team di avere un riscontro visivo del livello dell’acqua del serbatoio che si abbassava quando si verificava, dimostrando che la reazione può avvenire su scale temporali brevi.

Sebbene questo studio sia interessante di per sé, il lavoro mostra anche che la backreaction deve essere presa in considerazione con molte simulazioni effettuate con l’acqua. 

Di solito, si presume che le simulazioni di vortici d’acqua possano assumere uno sfondo stazionario, il che significa che qualsiasi backreaction può essere ignorata nel modello. 

I risultati di questo lavoro, però, dimostrano come questa ipotesi potrebbe non funzionare quando si studiano altri effetti dei buchi neri come la radiazione di Hawking.

Questi risultati potranno avere in futuro importanti implicazioni sperimentali e teoriche nello studio in laboratorio dei fenomeni astrofisici estremi che attualmente ci sfuggono, come l’evaporazione dei buchi neri.

Ci vorrà un po’ prima che possano essere creati veri buchi neri in laboratorio. Fortunatamente, le simulazioni dell’acqua come questa hanno ancora molto da insegnarci.

Riferimento: Goodhew, Harry, et al. ” Backreaction in un esperimento di buco nero analogico.” Physical Review Letters 126.4 (2021): 041105