Buchi neri binari e molecole gravitazionali

I buchi neri sono stupefacenti per la loro semplicità, sono essenzialmente dei buchi nello spazio-tempo. Grazie a questa semplicità i ricercatori possono tracciare sorprendenti paralleli tra i buchi neri e altre branche della fisica.
Un team di ricercatori ha dimostrato che potrebbe esistere una “molecola gravitazionale“, una speciale particella che compie un percorso attorno a una coppia di buchi neri come un elettrone orbita attorno a una coppia di atomi di idrogeno. Questo oggetto potrebbe aiutarci a capire cos’è la materia oscura e svelarci i segreti della natura dello spazio-tempo.
La ricerca, pubblicata a settembre nel database di prestampa arXiv, spiega l’esistenza di una molecola gravitazionale ricorrendo a un aspetto fondamentale della moderna fisica: il campo.
Un campo, spiega Paul Sutter nel suo articolo su Livescience.com, è uno strumento matematico che dice cosa si può trovare mentre ci si sposta tra due punti nell’Universo. Un paragone calzante potrebbe essere il bollettino meteorologico sulle temperature di una determinata zona. Viaggiando da un punto ad un’altro della zona sapremo quale temperatura incontreremo in ogni suo punto. Questo tipo di campo noto come campo “scalare”, è una funzione che associa uno scalare a ogni punto di uno spazio. Lo scalare è rappresentato da un numero reale associato ad una unità di misura. Esistono altri tipi di campi in fisica, i campi “vettoriali” e “tensoriali”, che forniscono più di un numero per ogni posizione nello spazio-tempo.
Verso la metà del XX secolo, i fisici si resero conto che i campi non sono solo pratici espedienti matematici, ma in realtà descrivono qualcosa di fondamentale sul funzionamento della realtà. Hanno scoperto, fondamentalmente, che tutto nell’universo è un campo.
Sutter spiega che un elettrone, è molto difficile da osservare in un istante dato come sappiamo dalla meccanica quantistica. Quando è emersa per la prima volta la meccanica quantistica, questo era un concetto che non tutti i fisici hanno accettato, almeno fino a quando non si è arrivati al campo.
Nella fisica moderna, rappresentiamo l’elettrone come un campo, un oggetto matematico che ci dice dove è probabile individuare l’elettrone quando cercheremo di misurarne posizione e velocità. Questo campo reagisce al mondo che lo circonda a causa dell’influenza elettrica del nucleo atomico vicino, e si modifica per cambiare dove dovremmo vedere l’elettrone.
Il risultato finale è che gli elettroni possono apparire solo in certe regioni attorno al nucleo atomico, dando origine, aggiunge Sutter in maniera semplice, all’intero campo della chimica.
I buchi neri.
In fisica atomica, possiamo descrivere una particella elementare con tre numeri: la sua massa, il suo spin e la sua carica elettrica. E in fisica gravitazionale, possiamo descrivere un buco nero con tre numeri: la sua massa, il suo spin e la sua carica elettronica.
Non sappiamo se è una coincidenza, ma come scrive Sutter, possiamo utilizzare queste similitudini per capire meglio cosa sono i buchi neri. Nella fisica delle particelle possiamo descrivere un atomo come un minuscolo nucleo circondato dal campo di elettroni. Quel campo di elettroni risponde alla presenza del nucleo e consente all’elettrone di apparire solo in determinate regioni. Lo stesso vale per gli elettroni attorno a due nuclei, ad esempio in una molecola biatomica come l’idrogeno.
Sutter ci aiuta a descrivere l’ambiente di un buco nero, simile a quello di un minuscolo nucleo atomico circondato da un campo di elettroni. Una minuscola singolarità posta nel cuore di un buco nero è simile, per certi versi a una particella subatomica. Il campo scalare risponde alla presenza del buco nero e consente alla sua particella di apparire in una determinata regione. Allo stesso modo delle molecole, possiamo descrivere i campi scalari attorno a un sistema binario di buchi neri.
Gli autori dello studio hanno scoperto che i campi scalari possono effettivamente esistere intorno ai buchi neri binari. Inoltre, possono formarsi in determinati schemi che assomigliano a come i campi di elettroni si organizzano in molecole. Quindi, il comportamento dei campi scalari in quello scenario imita il comportamento degli elettroni nelle molecole biatomiche, da cui il soprannome di “molecole gravitazionali“.
Perché interessarsi ai campi scalari? Secondo Sutter ci potrebbero servire per capire la natura della materia oscura o dell’energia oscura in quanto è possibile che sia la materia oscura che l’energia oscura siano composti da campi scalari proprio come tutte le particelle.
Se la materia oscura è un campo scalare, significa che potrebbe esistere in un modo particolare attorno ai buchi neri binari. Le particelle che la compongono dovrebbero esistere in orbite molto specifiche, proprio come fanno gli elettroni negli atomi. Ma i buchi neri binari non durano per sempre; emettono radiazioni gravitazionali e alla fine si scontrano e si fondono in un unico buco nero. Questi campi scalari di materia oscura influenzerebbero le onde gravitazionali emesse durante tali collisioni, perché filtrerebbero, defletterebbero e rimodellerebbero le onde che passano attraverso regioni di maggiore densità di materia oscura. Ciò significa che potremmo essere in grado di rilevare questo tipo di materia oscura con sufficiente sensibilità nei rilevatori di onde gravitazionali oggi esistenti.
Grazie ai dispositivi come LIGO potremo confermare l’esistenza di queste nuove stranezze dell’Universo, le molecole gravitazionali che ci consentirebbero di capire altri misteri che ora ci sfuggono.
Fonte: https://www.livescience.com/black-holes-gravitational-molecules-evidence.html