Non sappiamo ancora esattamente cosa succede quando i buchi neri muoiono.
Da quando Stephen Hawking ha scoperto che i buchi neri evaporano, sappiamo che, potenzialmente, possono scomparire dal nostro universo. Ma la nostra comprensione della gravità e della meccanica quantistica non è abbastanza estesa per descrivere gli ultimi istanti di vita di un buco nero.
Ora, una nuova ricerca motivata dalla teoria delle stringhe suggerisce possibili, e altrettanto strani, destini per l’evaporazione dei buchi neri: una pepita residua a cui potremmo, in linea di principio, accedere, o una singolarità non avvolta da un orizzonte degli eventi.
L’importanza della radiazione di Hawking
I buchi neri non sono, a rigor di termini, del tutto neri. Nella pura relatività generale, senza altre modifiche o considerazioni di altra fisica, rimangono neri per l’eternità. Una volta che si formano esisteranno per sempre. Ma negli anni ’70 Hawking utilizzò il linguaggio della meccanica quantistica per esplorare ciò che accade vicino al confine di un buco nero, noto come orizzonte degli eventi.
Ha scoperto che, sorprendentemente, una strana interazione tra i campi quantistici del nostro universo e la barriera unidirezionale dell’orizzonte degli eventi permette a una certa quantitàenergia di sfuggire al buco nero. Questa energia assume la forma di un flusso lento ma costante di radiazioni e particelle che divenne noto come radiazione di Hawking. Con ogni briciolo di energia che sfugge, il buco nero perde massa e quindi si rimpicciolisce, finendo per scomparire del tutto.
La scoperta della radiazione di Hawking ha creato quello che è noto come il paradosso dell’informazione del buco nero. Tutte le informazioni che descrivono il materiale che cade in un buco nero attraversano l’orizzonte degli eventi, per non essere mai più viste. Ma la radiazione di Hawking stessa non porta con sé alcuna informazione, eppure il buco nero alla fine scompare. Allora, dove finiscono tutte le informazioni?
Andare oltre Einstein
Il paradosso dell’informazione del buco nero è, per i fisici teorici, un’avviso macroscopico che qualcosa ci sfugge. Può darsi che non comprendiamo la natura dell’informazione quantistica, la natura della gravità o la natura dell’orizzonte degli eventi, o tutti e tre. L’approccio “più semplice” per risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero è sviluppare una nuova teoria della gravità, che vada oltre la teoria della relatività generale di Einstein.
Dopotutto, sappiamo già che la relatività generale non funziona al centro di un buco nero, che è una minuscola foratura nello spazio-tempo nota come singolarità in cui la densità va all’infinito. L’unico modo per descrivere correttamente la singolarità sarebbe attraverso una teoria quantistica della gravità che predica correttamente come si comporta la gravità forte su scale estremamente piccole.
Sfortunatamente, al momento non abbiamo una teoria della gravità quantistica. Sarebbe bello guardare direttamente le singolarità, ma per quanto ne comprendiamo attraverso la relatività generale, ogni singolarità è rinchiusa dietro un orizzonte degli eventi che la rende inaccessibili.
Studiando il processo della radiazione di Hawking, potremmo essere in grado di trovare una scorciatoia per avvicinarci a una singolarità e comprendere la fisica folle che vi accade. Man mano che i buchi neri evaporano, diventano sempre più piccoli e i loro orizzonti degli eventi si avvicinano alle singolarità centrali. Nei momenti finali della vita dei buchi neri, la gravità diventa troppo forte e i buchi neri diventano troppo piccoli per poterli descrivere correttamente con le nostre attuali conoscenze. Quindi, se riuscissimo a sviluppare una migliore teoria della gravità, potremmo usare i momenti finali della radiazione di Hawking per verificare come si comporta la teoria.
Ci sono molti candidati per una teoria quantistica della gravità, con la più accreditata che resta la teoria delle stringhe. Anche se non ci sono soluzioni note alla teoria delle stringhe, è possibile prendere ciò che sappiamo sulle caratteristiche generali della teoria e usarle per creare versioni modificate della relatività generale.
Singolarità nude
I dettagli dei risultati della squadra sono un po’ confusi. Questo perché la relatività generale modificata non è ben compresa come la relatività generale regolare e risolvere la matematica complicata richiede una serie di approssimazioni e molte congetture. Tuttavia, i ricercatori sono stati in grado di dipingere un quadro generale di ciò che accade.
Una delle caratteristiche chiave della gravità Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet è che i buchi neri hanno una massa minima, quindi i teorici sono stati in grado di studiare cosa succede quando un buco nero in evaporazione inizia a raggiungere quella massa minima.
In alcuni casi, a seconda dell’esatta natura della teoria e dell’evoluzione del buco nero, il processo di evaporazione lascia dietro di sé una pepita microscopica. Questa pepita mancherebbe di un orizzonte degli eventi, quindi in linea di principio potresti far volare la tua astronave su di essa e raccoglierla. Sebbene la pepita sarebbe estremamente esotica, conserverebbe almeno tutte le informazioni che sono cadute nel buco nero originale, risolvendo così il paradosso.
Un’altra possibilità è che il buco nero raggiunga la sua massa minima e perda il suo orizzonte degli eventi, ma mantenga comunque una singolarità. Queste “singolarità nude” sembrano essere proibite nella normale relatività generale, ma se esistessero, sarebbero finestre dirette nel regno della gravità quantistica.
Non è ancora chiaro se la gravità Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet rappresenti un percorso valido verso la gravità quantistica. Ma risultati come questo aiutano i fisici a illuminare uno degli scenari più complessi dell’universo e potenzialmente forniscono indicazioni su come risolverli.
