Ai buchi neri crescono i capelli

Un buco nero è quella regione dello spaziotempo che non emette alcun tipo di radiazione e può essere studiato in maniera indiretta con l’ausilio della fisica e della matematica.
Questi sfuggenti oggetti si formano quando una stella di grande massa non è più in grado di contrastare la spinta gravitazionale della propria massa per mezzo delle reazioni di fusione nucleare all’interno del suo nucleo che invece tendono ad espanderla. Una volta che questo equilibrio viene meno, la stella collassa in un oggetto che chiamiamo appunto buco nero che incurva lo spaziotempo a tal punto che nemmeno le radiazioni elettromagnetiche riescono a sfuggirgli.
Spesso i fisici sono portati a considerare questi oggetti come caratterizzati da due quantità, la massa e il momento angolare. Nonostante questa visione, da alcuni anni si cerca di capire se i buchi neri possiedono strutture che vengono chiamate “capelli”. L’esistenza di queste componenti aggiuntivi potrebbero condurre a nuovi campi fondamentali della fisica.
“Nel nostro lavoro abbiamo considerato delle estensioni della teoria della relatività generale di Einstein che forniscono previsioni interessanti per l’osservazione e lo studio di regimi estremi, come i dintorni dei buchi neri o le stelle di neutroni”, spiega Alexandru Dima, astrofisico della Sissa (Scuola internazionale superiore di studi avanzati) e dell’Infn (Istituto nazionale di fisica nucleare) sezione di Trieste, primo autore del paper “Spin-induced black hole spontaneous scalarization” (Scalarizzazione spontanea di un buco nero indotta da spin), che è stato recentemente pubblicato su Physical Review Letters. “Studi precedenti hanno già permesso di giustificare la presenza di buchi neri “con capelli”. Con questa ricerca abbiamo dimostrato per la prima volta, grazie a simulazioni numeriche, che questi oggetti possono far crescere spontaneamente la forma più semplice di quello che chiamiamo in gergo capelli – ma che tecnicamente definiamo un campo scalare – quando iniziano a girare abbastanza velocemente”.
Insieme a Enrico Barausse (Sissa e Ifpu – Istituto di fisica fondamentale dell’universo), Nicola Franchini (Sissa e Ifpu) e Thomas P. Sotiriou (Università di Nottingham, Regno Unito), Dima ha descritto inoltre il modo in cui la rotazione controlla il meccanismo di crescita dei capelli. Nella teoria della gravità di Einstein e in molte delle sue estensioni, i teoremi matematici dimostrano che i buchi neri non possano sostenere i capelli, e che li perdono emettendo onde gravitazionali. Tuttavia, nelle teorie considerate da Dima e colleghi una volta che il buco nero inizia a ruotare più velocemente di una certa soglia costringe i capelli a crescere, e questo gli conferisce caratteristiche nuove. Studiare le possibili estensioni della relatività generale è uno dei modi in cui la fisica cerca di risolvere alcuni dei suoi grandi dilemmi: coniugare la teoria della gravità con la fisica quantistica e fornire potenziali spiegazioni agli enigmi che ancora avvolgono la fisica gravitazionale, quali la materia oscura e l’energia oscura. “I nostri risultati”, spiega Sotiriou, che ha guidato la ricerca presso l’Università di Nottingham con il supporto di Franchini, “dimostrano che la nuova fisica può essere abbastanza sfuggente e comparire solo quando si osserva il giusto tipo di buchi neri”.
Dima ha descritto come avviene la crescita dei “capelli” nsieme a Enrico Barausse (Sissa e Ifpu – Istituto di fisica fondamentale dell’universo), Nicola Franchini (Sissa e Ifpu) e Thomas P. Sotiriou (Università di Nottingham, Regno Unito). Il meccanismo descrive il modo in cui la rotazione controlla il meccanismo della crescita dei capelli. Nella teoria della gravità di Einstein e in molte delle sue estensioni, i teoremi matematici dimostrano che i buchi neri non possano mantenere i capelli, e che li perdono emettendo onde gravitazionali. Ma le teorie che Dima e i suoi colleghi hanno considerato spiega che se il buco nero ruota più velocemente di una certa soglia costringe i capelli a crescere, e questi gli conferiscono caratteristiche aggiuntive. La fisica oggi è al lavoro alla risoluzione di alcuni grandi dilemmi studiando la possibilità di estendere la relatività generale: fondere la teoria della gravità di Einstein con la fisica quantistica e fornire potenziali spiegazioni ai misteri che ancora avvolgono la fisica gravitazionale, quali la materia oscura e l’energia oscura. “I nostri risultati”, spiega Sotiriou, a capo della ricerca presso l’Università di Nottingham con il supporto di Franchini, “dimostrano che la nuova fisica può essere abbastanza sfuggente e comparire solo quando si osserva il giusto tipo di buchi neri”.I risultati che la ricerca offre possono diventare strumenti essenziali da utilizzare nei prossimi esperimenti. “In particolare”, aggiunge Dima, “il nostro risultato suggerisce che, a seconda della velocità di rotazione degli oggetti coinvolti, le onde gravitazionali prodotte in conseguenza della fusione di sistemi binari di buchi neri potrebbero essere diverse rispetto a quanto previsto in precedenza. Nel prossimo futuro, l’osservazione di un tale effetto o della sua mancanza in esperimenti sulle onde gravitazionali permetterebbe di falsificare un’ampia classe di teorie alternative sulla gravità, o magari di ottenere indizi rivelatori di una nuova fisica che vada oltre la relatività generale”.
I risultati dimostrano l’esistenza di un’ampia classe di teorie che condividono le stesse soluzioni che offre la relatività generale per un buco nero stazionario, ma che mostrano anche buchi neri che se ruotano abbastanza velocemente mostrano quelle strutture che i fisici chiamano “capelli”. Questo risultato ha chiare implicazioni per i test sulla relatività generale e sulla natura dei buchi neri che potrebbe essere rilevata attraverso lo studio delle onde gravitazionali.
Fonte: Media INAF