I buchi neri sono sicuramente tra i fenomeni più potenti e affascinanti del nostro Universo, ma, al momento, a causa dei nostri limiti tecnologici ci risulta impossibile poterli studiare da vicino per effettuare analisi dettagliate.

Per ovviare a questo inconveniente, alcuni scienziati hanno pensato di di modellare questi enormi e complessi oggetti in laboratorio – usando ologrammi.

Esperimenti in questo senso non ne sono ancora stati condotti, ma i ricercatori hanno avanzato una struttura teorica per un ologramma di buco nero che permetterebbe di testare alcune delle proprietà più misteriose e sfuggenti di questi oggetti – in particolare per tentare di capire cosa succede alle leggi della fisica oltre l’orizzonte degli eventi.

Uno degli obiettivi finali sarebbe quello di conciliare le due teorie della relatività generale (fisica su larga scala) e della meccanica quantistica (fisica su piccola scala), entrambe di fondamentale importanza per la scienza e che, tuttavia, non sono pienamente d’accordo su come l’Universo funziona.

Un problema straordinario è il fatto che la meccanica quantistica non può spiegare la gravità – ma sia la gravità che la meccanica quantistica sono necessarie per spiegare i buchi neri. In particolare, i buchi neri emettono una forte attrazione gravitazionale, ma per spiegare esattamente cosa succede oltre l’orizzonte degli eventi, gli scienziati devono usare una fisica quantistica molto strana.

È per questo motivo che i fisici sono impazientemente alla ricerca di modi per unire i due in una potenziale “teoria del tutto” chiamata gravità quantistica.

“L’immagine olografica di un buco nero simulato, se osservata da questo esperimento da tavolo, può servire come entrata nel mondo della gravità quantistica“, afferma il fisico Koji Hashimoto, dell’Università di Osaka in Giappone.

La chiave della nuova idea di realizzare un ologramma di un buco nero è la teoria delle stringhe: l’idea che le particelle elementari che compongono l’Universo, come quark e leptoni, siano costituite da stringhe unidimensionali che vibrano a frequenze diverse.

Una versione della teoria delle stringhe è conosciuta come dualità olografica e suggerisce sostanzialmente che qualunque cosa accada all’interno di quello spazio della “teoria delle stringhe” può anche essere tradotta in uno “spazio” più semplice con meno dimensioni, come l’orizzonte degli eventi.

Questo si lega all’idea che i buchi neri non siano altro che ologrammi: superfici bidimensionali che vengono proiettate in tre dimensioni (proprio come un ologramma).

Se così fosse, sarebbe possibile risolvere una parte (ma non tutta) la tensione tra relatività generale e meccanica quantistica, perché significherebbe che tutto ciò che cade in un buco nero in realtà non entra da nessuna parte ma rimane impacchettato sulla sua superficie. Non sarebbe più necessario cercare di capire cosa accade “oltre l’orizzonte degli eventi“.

Ed è qui che entrano in gioco gli ologrammi. Secondo i ricercatori una sfera bidimensionale potrebbe modellare un buco nero tridimensionale, con la luce emessa in un punto e misurata in un altro per “vedere” ciò che sta accadendo.

Ciò che rimarrebbe, supponendo che vengano utilizzati i giusti materiali e le condizioni di laboratorio, è un anello di Einstein – la deformazione della luce che può accadere attorno a un buco nero a causa della sua forte attrazione gravitazionale, come previsto dalla teoria della relatività generale. Si tratta di un fenomeno noto come lente gravitazionale.

Questo anello di luce deformato è in realtà ciò che abbiamo visto quando è stata pubblicata la prima immagine di un buco nero.

(Collaborazione EHT)

Sfortunatamente, poiché questo è ancora un framework teorico che richiede una configurazione di laboratorio super specifica, non sarai ancora in grado di proiettare un buco nero sul tavolo della tua cucina. I ricercatori sperano ora di trovare un materiale quantico che permetta loro di testare la loro teoria.

Tuttavia, se potessimo eseguire l’esperimento, ciò potrebbe aiutare gli scienziati ad abbinare le nostre comprensioni su larga scala e su piccola scala del modo in cui l’Universo funziona.

“La nostra speranza è che questo progetto mostri la strada da percorrere per una migliore comprensione di come il nostro Universo opera davvero a un livello fondamentale“, afferma il fisico Keiju Murata, dell’Università Nihon in Giappone.

La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters.

Dato il grande numero di lune nel nostro sistema solare è probabile che anche gli esomondi siano accompagnati da questi corpi celesti. Anche se dobbiamo trovarne con certezza ancora una, gli astronomi hanno da poco scoperto un segnale che potrebbe indicare l’esistenza di una “esoluna“.

Tale segnale, potrebbe rivelare non una semplice esoluna, ma qualcosa di simile a una versione ingrandita di Io, la luna di Giove, l’oggetto vulcanicamente più attivo del sistema solare. Non solo, questa esoluna sarebbe ricoperta di vulcani attivi e orbiterebbe attorno a un gigante gassoso caldo, WASP-49b appartenente alla categoria di esopianeti soprannominati “Gioviani caldi”. WASP-49b orbita attorno alla sua stella madre, una nana gialla WASP-49 in soli 2,8 giorni.

Secondo l’astrofisico Apurva Oza, dell’Istituto di fisica dell’università di Berna: “Sembra essere un pericoloso mondo vulcanico con una superficie di lava fusa, una versione lunare di Super Terre come 55 Cancri-e”

Il team di astronomi non ha rilevato direttamente l’esoluna, ma ne ha dedotto la possibile presenza sulla base di alcuni dati raccolti dall’atmosfera superiore dal pianeta WASP-49b. I dati utilizzati provengono da un documento che descriveva l’atmosfera di WASP-49b pubblicato nel 2017. I ricercatori hanno notato la presenza di uno spesso strato di gas di sodio ad altitudini insolitamente libere da nuvole e il fatto ha destato il loro interesse come ha fatto capire Oza, che ha aggiunto: “Il gas di sodio neutro è così lontano dal pianeta che è improbabile che venga emesso solo da un vento planetario“.

Siamo a conoscenza, grazie alle osservazioni compiute nel nostro sistema solare che sulla luna di Giove Io, l’attività vulcanica produce quantità piuttosto elevate di potassio e sodio. Questi elementi non si depositano in quantità significative sulla superficie della luna, ma vengono trascinati nella complessa magnetosfera di Giove, creando un toro di materiale che avvolge il pianeta.

L’attività vulcanica di Io è generata dall’intensa interazione gravitazionale con Giove, dovuta all’orbita ellittica del satellite. Le forze mareali, generano attrito e di conseguenza riscaldano il satellite che altrimenti non sarebbe così attivo.

Già nel 2006, un’altro team di ricercatori ha ipotizzato la presenza di un anello di materiale attorno al pianeta gigante HD 209458b, che transitando davanti alla sua stella madre ha rivelato la presenza di sodio. Questo potrebbe significare che in orbita intorno a HD 209458b potrebbe esserci una esoluna.

Quindi, il team lavorando sui numeri ha scoperto che una esoluna vulcanicamente attiva potrebbe effettivamente rilasciare più potassio e sodio orbitando attorno al pianeta.
La squadra di Oza ha concluso che il sodio e il potassio attorno a WASP-49b, nelle quantità e alla strana altitudine rilevata, potrebbero essere stati espulsi plausibilmente da una luna vulcanica.

E’ anche plausibile che siano responsabili altri processi o fenomeni, ad esempio un anello di gas ionizzato.

Per ottenere una risposta chiara e definitiva occorreranno altre osservazioni più dettagliate. Le linee del sodio e del potassio sullo spettro sono entrambe molto forti; cercando più da vicino, i ricercatori sperano di trovare i segnali più deboli di altri gas vulcanici volatili nell’atmosfera del pianeta, come ad esempio, zolfo e ossigeno. Comprendere se altri sistemi extrasolari posseggono lune come il nostro sarà più semplice grazie alla prossima generazione di telescopi.

“Mentre l’attuale ondata di ricerca sta andando verso l’abitabilità e la biosignatura, la nostra firma è una firma di distruzione“, ha detto Oza. “La parte eccitante è che possiamo monitorare questi processi distruttivi in tempo reale, come i fuochi d’artificio“.

La ricerca è stata accettata su The Astrophysical Journal ed è disponibile su arXiv. 

Se ti venisse chiesto di descrivere come puoi muoverti nello spazio, probabilmente penseresti a tutte le diverse direzioni in cui sei libero di spostarti. Potresti andare a sinistra o a destra, in avanti o all’indietro, e in alto o in basso; questo è tutto. Queste tre direzioni indipendenti, descritte da qualcosa di semplice come una griglia, descrivono tutti i modi possibili per muoversi attraverso lo spazio.

Ma c’è una quarta dimensione che è altrettanto importante, anche se molto diversa: il tempo. Al contrario delle tre dimensioni canoniche, il tempo può andare solo avanti, non si può tornare indietro, ma è proprio una dimensione, quanto una di quelle spaziali.

Sia che si dica che viviamo in un universo quadridimensionale descritto dal tessuto dello spaziotempo o in un universo tridimensionale + 1, in cui abbiamo tre dimensioni spaziali più una dimensione temporale, non è possibile separare queste entità l’una dall’altra. Proviamo a capire perché.

Questa visione dettagliata e simile alla foto della Terra si basa in gran parte sulle osservazioni dello spettroradiometro per immagini a risoluzione moderata (MODIS) sul satellite Terra della NASA. Sulla superficie di un mondo come la Terra, sono necessarie solo due coordinate (ad esempio, latitudine e longitudine) per definire una posizione. Se sono consentite posizioni sotterranee o posizioni al di sopra della superficie, è richiesta anche una terza dimensione spaziale. – NASA

Gli esseri umani, per la maggior parte, vivono solo sulla superficie della Terra. Quando vogliamo descrivere dove ci troviamo, in genere dobbiamo solo fornire due coordinate: una latitudine e una longitudine. Abbiamo solo bisogno di questi due valori, che descrivono dove siamo situati lungo gli assi nord-sud ed est-ovest del nostro pianeta, perché la terza dimensione è un dato: siamo sulla superficie terrestre.

Ma se andassi sottoterra o in aria sopra la superficie terrestre, sarebbe necessaria una terza coordinata per descrivere con precisione la tua posizione: altitudine/profondità o dove ti trovi sull’asse su-giù. Dopotutto, qualcuno situato esattamente alla stessa latitudine e longitudine di te – alle stesse coordinate bidimensionali ⁠ – potrebbe facilmente trovarsi in un tunnel sotterraneo o su un elicottero. Non starebbe necessariamente nella stessa tua posizione, sono necessarie tre informazioni indipendenti per individuare la tua posizione nello spazio.

La tua posizione nell’Universo non è solo descritta da coordinate spaziali (dove), ma anche da una coordinata temporale (quando). È impossibile spostarsi da una posizione spaziale a un’altra senza spostarsi nel tempo.

Ma anche due oggetti diversi con le stesse esatte coordinate spaziali tridimensionali potrebbero non sovrapporsi. Il motivo è facile da capire se pensiamo alla sedia su cui siamo seduti in questo momento. Si può sicuramente essere nella stessa posizione accuratamente descritta dalle tre coordinate spaziali più familiari:  x,  y, e  z. Questa sedia, tuttavia, è occupata da noi proprio ora, in questo preciso momento, al contrario di ieri, un’ora fa, la settimana prossima o tra dieci anni.

Per descrivere completamente un evento nello spaziotempo, devi sapere di più: non solo dove si verifica, ma anche quando si verifica. Oltre a  x,  y, e  z, è necessaria anche un coordinata temporale:  t.

Sebbene questa cosa possa sembrare ovvio, non è stata molto considerata dalla fisica fino allo sviluppo della relatività di Einstein, quando i fisici hanno iniziato a pensare al problema della simultaneità.

Immaginiamo, due posizioni separate ⁠ – un punto “A” e un punto “B” ⁠— collegati da un percorso.

Puoi scegliere due punti qualsiasi e tracciare un percorso monodimensionale (lineare) che li collega. Se hai bisogno che qualcuno passi dal punto A al punto B contemporaneamente a qualcuno dal punto B al punto A, ci sarà sempre un evento nello spazio-tempo in cui entrambi quei viaggiatori occupano lo stesso punto in tutte e quattro le dimensioni.

Immaginiamo di avere una persona che inizia a muoversi da A mentre l’altra parte da B, e ciascuna viaggia verso l’altro punto. Puoi visualizzare la posizione di ognuno posizionando un dito di ciascuna mano su A e B, e poi “spostandoli” verso le rispettive destinazioni. Non c’è modo per la persona che inizia da A di arrivare a B senza passare attraverso l’altra persona, e non c’è modo che la persona che inizia da B possa arrivare ad A senza attraversare la prima persona.

In altre parole, affinché ogni persona arrivi a destinazione, dovrà esserci un momento in cui ciascuna delle due dita occuperà lo stesso punto contemporaneamente. In relatività, questo è noto come evento simultaneo: dove tutte le coordinate dello spazio e del tempo di due diversi oggetti fisici si sovrappongono. Questo non è solo non controverso, è matematicamente dimostrabile.

Se permetti a una palla da tennis di cadere su una superficie dura come un tavolo, puoi essere certo che rimbalzerà indietro. Per descrivere la posizione di una particella come questa pallina da tennis, è necessario tenere adeguatamente conto del suo movimento attraverso l’Universo, che richiede non solo informazioni sulla sua posizione spaziale, ma anche come tale posizione si evolve nel tempo. Solo includendo una coordinata temporale insieme a tre spaziali possiamo parlare accuratamente del moto degli oggetti attraverso il nostro Universo.

Questo esperimento mentale spiega perché il tempo deve essere considerato come una dimensione in cui ci muoviamo, proprio come le nostre dimensioni spaziali sono dimensioni in cui ci muoviamo. Non è stato Einstein, tuttavia, a mettere insieme spazio e tempo in un’unica formulazione che li ha lasciati indissolubili. Invece, fu l’ex professore di Einstein, Hermann Minkowski, a capire quanto fossero inseparabili queste due entità.

Meno di tre anni dopo che Einstein introdusse la sua teoria della relatività speciale, Minkowski dimostrò la loro unità con una brillante linea di ragionamento. Se desideri spostarti nello spazio, non puoi farlo istantaneamente; devi spostarti da dove ti trovi adesso in un’altra posizione spaziale, dove arriverai solo ad un certo punto in futuro. Se sei qui adesso, non puoi essere altrove nello stesso momento, puoi arrivarci solo più tardi. Muoversi nello spazio richiede anche di spostarsi nel tempo.

Uno sguardo animato su come lo spazio-tempo risponde mentre una massa si muove attraverso di essa aiuta a mostrare esattamente come, qualitativamente, non è semplicemente un foglio di tessuto ma tutto lo spazio stesso viene curvato dalla presenza e dalle proprietà della materia e dell’energia all’interno dell’Universo. Notare che lo spaziotempo può essere descritto solo se includiamo non solo la posizione dell’oggetto ma anche dove tale massa si trova nel tempo. Sia la posizione istantanea che la storia passata di dove si trovava quell’oggetto determinano le forze sperimentate dagli oggetti che si muovono attraverso l’Universo.

Ciò che presentò la pubblicazione della relatività speciale di Einstein fu la relazione quantitativa tra il proprio moto attraverso lo spazio e il proprio moto nel tempo. Ci ha insegnato che la velocità della luce nel vuoto è un limite di velocità universale e che quando ci si avvicina, si verificano i bizzarri fenomeni di contrazione della lunghezza e dilatazione del tempo.

Ma Minkowski fece un grande balzo in avanti quando realizzò, matematicamente, che muoversi attraverso il tempo è esattamente la stessa cosa che muoversi attraverso lo spazio, tranne con due ulteriori fattori moltiplicativi:  c , la velocità della luce nel vuoto e io il numero immaginario √ ( -1). Dopo aver completato la sua derivazione dello spaziotempo per la prima volta, Minkowski dichiarò che: “D’ora in poi lo spazio da solo, e il tempo da solo, sono destinati a svanire in semplici ombre, e solo una sorta di unione dei due manterrà una realtà indipendente”.

Mettendo insieme queste rivelazioni, si arriva ad un’immagine molto diversa dell’Universo rispetto a quella che si intuiva in base alle vecchie nozioni newtoniane di spazio assoluto e tempo assoluto. Mentre ti muovi attraverso l’Universo in particolare, sperimenterai cambiamenti nel modo in cui lo spazio e il tempo passano per te.

• Se sei fermo e immobile, rimanendo nella stessa posizione spaziale, avanzerai nel tempo alla massima velocità possibile.
• Mentre ti muovi nello spazio più rapidamente, ti sposterai nel tempo più lentamente (il tempo si dilata) e sembreranno esserci le distanze spaziali più brevi lungo la direzione del tuo movimento (contrazione della lunghezza).
• E se tu fossi senza massa, non avresti altra scelta che muoverti alla velocità della luce. Le distanze lungo la direzione di movimento si riducono a zero; li attraverseresti istantaneamente. Allo stesso modo, il tempo si dilaterà all’infinito; il tuo viaggio impiegherà zero tempo dalla tua prospettiva.

Un orologio-luce, formato da un fotone che rimbalza tra due specchi, definirà il tempo di ogni osservatore. Sebbene i due osservatori potrebbero non essere d’accordo l’uno con l’altro su quanto tempo passa, essi concorderanno sulle leggi della fisica e sulle costanti dell’Universo, come la velocità della luce. Un osservatore stazionario vedrà il tempo passare normalmente, ma un osservatore che si muove rapidamente attraverso lo spazio farà funzionare il suo orologio più lentamente rispetto all’osservatore stazionario.

Quando si esaminano quali siano le implicazioni fisiche di queste considerazioni, si scopre che sono a dir poco sorprendenti. Si capisce che tutte le particelle senza massa sono intrinsecamente stabili; poiché non passa tempo per loro nel loro quadro di riferimento, non possono mai decadere. Le particelle instabili che vengono create, anche con tempi di vita estremamente brevi, possono percorrere distanze molto maggiori di quelle che avresti assunto moltiplicando ingenuamente la loro velocità per il tempo in cui vivono.

Ad esempio, un muone, creato nell’atmosfera superiore a circa 60-100 km, raggiungerà la superficie terrestre, anche se la durata della sua vita (2,2 µs) significa che non dovrebbe nemmeno viaggiare per 1 chilometro a velocità vicine alla luce prima di decadere. Questo significa anche che le cose che iniziano identiche non rimarranno necessariamente così: due gemelli identici, di cui uno rimane sulla Terra e l’altro fa un viaggio nello spazio, invecchieranno a velocità diverse, con il gemello in viaggio che si ritrova più giovane (sperimentando un trascorrere del tempo più lento) rispetto al gemello rimasto sulla Terra.

Non è possibile trattare lo spazio e il tempo separatamente, poiché sono indissolubilmente collegati; muoversi attraverso l’uno influenza il movimento attraverso l’altro, indipendentemente da qualsiasi altra proprietà inerente al tuo spaziotempo.

Oggi, la relatività speciale è stata sostituita dalla relatività generale, che comprende anche la curvatura inerente allo spazio stesso. Indipendentemente dalle proprietà dell’Universo in cui abiti, il tuo movimento attraverso lo spazio e il tempo non può essere trattato separatamente l’uno dall’altro; hai bisogno di entrambi, insieme, per descrivere la tua realtà.

Il tempo è una dimensione, esattamente come lo spazio, così come non importa come sposti te stesso attraverso lo spazio, devi sempre andare avanti nel tempo. Talvolta è scritto che il nostro Universo è tridimensionale + 1 anziché quadridimensionale perché il tempo è su un piano leggermente separato: aumentare il movimento attraverso lo spazio diminuisce il movimento attraverso il tempo e viceversa.

Conoscendo tutte le regole che regolano il modo in cui un oggetto si sposterà attraverso lo spazio-tempo, nonché le condizioni iniziali e le forze in azione tra l’oggetto e il resto del tuo sistema, dovresti essere in grado di prevedere come questo oggetto si sposterà sia nello spazio che tempo. Non è possibile descrivere accuratamente la posizione di un oggetto senza includere una coordinata temporale oltre a quelle spaziali. – (Tristan Fewings / Getty Images)

Forse il fatto più notevole della relatività di Einstein è che chiunque, indipendentemente da come si muove nello spazio rispetto a chiunque altro, vedrà che il loro movimento attraverso lo spazio e il tempo è governato dalle.

Cambiare il tuo movimento attraverso lo spazio si tradurrà in effetti prevedibili e conseguenze per il tuo movimento nel tempo, e ogni volta che incontrerai un altro osservatore nelle stesse coordinate di spazio e tempo, potrete entrambi essere d’accordo su ciò che è simultaneo per te in quel preciso momento.

Se il tempo non fosse una dimensione con le proprietà esatte che possiede, la relatività speciale non sarebbe valida e non potremmo costruire lo spaziotempo per descrivere il nostro Universo.

Abbiamo bisogno di tempo come dimensione inestricabile dallo spazio affinché la fisica funzioni come funziona. Quando qualcuno ti chiede se viviamo in un universo tridimensionale, sii orgoglioso di aggiungere un “+1“, rispettando il tempo.

Fonte: Forbes

I neutrini sono ovunque sono quasi impercettibili e passano attraverso la materia quasi senza interagire con essa. Ne sappiamo poco, nemmeno quanto siano pesanti. Ma sappiamo che i neutrini potenzialmente possono alterare la forma dell’universo.

Grazie a queste caratteristiche un team di scienziati ha provato a dare qualche risposta alle tante domande su queste misteriose particelle. A causa della fisica, i comportamenti delle particelle più piccole alterano i comportamenti di intere galassie e altre gigantesche strutture celesti. E se si vuole descrivere il comportamento dell’universo, si devono prendere in considerazione le proprietà dei suoi componenti più piccoli.

In un nuovo articolo, che sarà pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori hanno calcolato la massa del neutrino più leggero (ci sono tre tipi di neutrini con masse differenti) ricavandola da misurazioni precise della struttura su larga scala dell’universo. Hanno utilizzato i dati sui movimenti di circa 1,1 milioni di galassie forniti dal Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, informazioni cosmologiche e i risultati ottenuti da esperimenti sui neutrini su piccola scala sulla Terra e hanno fornito tutte queste informazioni a un supercomputer.

“Abbiamo utilizzato più di mezzo milione di ore di tempo computer per elaborare i dati“, ha dichiarato in una nota il coautore dello studio Andrei Cuceu, uno dottorando in astrofisica presso l’University College di Londra. “Ciò equivale a quasi 60 anni su un singolo processore. Questo progetto ha spinto i limiti per l’analisi dei big data in cosmologia“.

Il risultato non offre un unico numero per la massa del tipo di neutrino più leggero, ma lo restringe in un determinato range: quella specie di neutrino ha una massa non superiore a 0,086 elettronvolt (eV), o circa sei milioni di volte inferiore a la massa di un singolo elettrone.

Quel numero imposta un limite superiore, ma non un limite inferiore, per la massa delle specie più leggere di neutrino. Secondo quanto scritto nel documento dagli autori è possibile che non abbia alcuna massa.

Quello che i fisici sanno è che almeno due delle tre specie di neutrino devono avere una certa massa e che esiste una relazione tra le loro masse (Questo documento stabilisce anche un limite superiore per la massa combinata di tutti e tre i gusti: 0,26 eV).

Le masse delle tre specie di neutrino, elettronico, tau e mu, non si allineano con i tre sapori del neutrino (elettrone, tau e mu). Secondo il Fermilab, ogni sapore del neutrino è composto da una miscela quantistica della massa delle tre specie del neutrino.

Quindi un neutrino tau contiene un po’ della specie di massa 1, un po’ di specie 2 e un po’ di specie 3. Queste diverse specie di massa consentono ai neutrini di oscillare tra i sapori, come ha stabilito una scoperta del 1998 (che ha vinto il Premio Nobel per la fisica).

I fisici non possono mai individuare in modo perfetto le masse delle tre specie di neutrini, ma possono continuare ad avvicinarsi al loro valore. Il valore della massa continuerà ad avvicinarsi al valore corretto man mano che gli esperimenti sulla Terra e le misurazioni nello spazio miglioreranno.

Fonte: Livescience. (Tradotto e adattato)