I buchi neri sono tra gli oggetti più misteriosi dell’universo, al loro cospetto tutte le nostre conoscenze della fisica si infrangono miseramente.
Eppure, nonostante la loro apparente impossibilità fisica, i buchi neri sembrano essere reali.
Ma cosa succederebbe se queste morse gravitazionali non fossero affatto buchi neri, ma piuttosto l’equivalente cosmico di sfere di corde vibranti, o stringhe? Una nuova ricerca suggerisce che con le prossime osservazioni potremmo essere in grado di osservarle.
I buchi neri sono previsti nella teoria della relatività generale di Einstein.
In questa teoria, se un ammasso di materia si comprime in un volume sufficientemente piccolo, la gravità può diventare insostenibile.
Questa compressione gravitazionale può superare le altre tre delle quattro forze fondamentali della natura, come la forza nucleare forte che tiene coesa la materia e la repulsione elettrica tra protoni ed elettroni. Una volta raggiunta una certa soglia critica, l’ammasso di materia si comprime in un punto infinitamente piccolo.
Quel punto infinitamente piccolo è chiamato singolarità ed è circondato da una superficie chiamata orizzonte degli eventi, che viene identificato come l’area intorno al buco nero nella quale nemmeno la luce può vincerne la gravità.
Naturalmente, non esiste un punto infinitamente piccolo, quindi questa immagine non sembra corretta. Ma a metà del XX secolo gli astronomi iniziarono a trovare oggetti che assomigliavano a buchi neri, agivano come buchi neri e si comportavano come buchi neri. Nonostante la loro impossibilità, erano lì, a vagare nell’universo.
I buchi neri ci creano altri problemi. Nel 1976, il fisico il famoso fisico Stephen Hawking si rese conto che i buchi neri non sono poi così neri.
A causa delle stranezze della meccanica quantistica, i buchi neri evaporano molto lentamente. Ciò ha portato a un paradosso: tutte le informazioni che finiscono in un buco nero vengono bloccate al suo interno. Ma le radiazioni di Hawking non portano via quell’informazione (almeno, per quanto ne sappiamo).
Quindi, quando il buco nero alla fine evapora, dove vanno a finire tutte le informazioni?
Nel corso dei decenni, i fisici teorici hanno lavorato duramente per trovare una teoria per spiegare i buchi neri. Qualcosa che spieghi il paradosso dell’informazione e qualcosa che sostituisca la singolarità che sia spiegabile matematicamente.
Tra questi teorici ci sono quelli che lavorano sulla teoria delle stringhe, che è un modello dell’universo che sostituisce tutte le particelle e le forze con cordicelle subatomiche vibranti.
Nella teoria delle stringhe, queste cordicelle sono i costituenti fondamentali della materia nell’universo, ma non possiamo vederle perché troppo piccole.
Affinché la matematica della teoria delle stringhe funzioni, devono esserci dimensioni extra tutte minuscole e arrotolate su se stesse su scale subatomiche in modo da non osservare nemmeno quelle.
La teoria delle stringhe vuole essere una teoria del tutto, in grado di spiegare ogni tipo di particella, ogni tipo di forza e praticamente tutto nell’universo. Quindi la teoria delle stringhe dovrebbe essere in grado di spiegare l’inspiegabile: dovrebbe essere in grado di sostituire i buchi neri con qualcosa di matematicamente spiegabile. E, in effetti, i teorici delle stringhe hanno proposto una soluzione ai buchi neri. Si chiama fuzzball.
Fuzzball o buchi neri?
Per spiegare cos’è un fuzzball occorre guardare un altro oggetto compatto e strano: le stelle di neutroni.
Le stelle di neutroni sono ciò che resta quando una stella non ha abbastanza massa affinché la gravità la comprima in un buco nero.
All’interno di una stella di neutroni, la materia è compressa nel suo stato di densità più elevato possibile. I neutroni sono uno dei costituenti fondamentali degli atomi con altre particelle come protoni ed elettroni. Ma in una stella di neutroni, gli atomi non possono esistere, l’immensa gravità li compatta trasformandoli in neutroni ammassati il più strettamente possibile.
Con i fuzzball, a causa dell’intensa gravità, le corde fondamentali si ammassano, diventando una grande palla di archi. La teoria delle fuzzball non è completamente sviluppata e, per quanto sia interessante questa teoria, nessuno è mai stato in grado di trovare una soluzione matematica completa e quindi non è chiaro se le fuzzball siano matematicamente spiegabili.
Potremmo essere in grado di trovare fuzzball con i prossimi sondaggi, come descritto in un articolo pubblicato il 27 ottobre sulla rivista di prestampa arXiv. La ricerca è appena agli inizi. Dobbiamo capire come si comportano e, forse, il modo migliore per farlo è attraverso lo studio delle onde gravitazionali.
Quando i buchi neri si scontrano e si fondono, emettono uno tsunami di onde gravitazionali, che attraversano il cosmo raggiungendo infine i nostri rilevatori sulla Terra. Per tutte le dozzine di fusioni di buchi neri a cui abbiamo assistito finora, la firma delle onde gravitazionali è esattamente ciò che la relatività generale prevede che i buchi neri facciano.
Ma strumenti futuri, come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e Laser Interferometer Space Antenna (un rilevatore di onde gravitazionali basato nello spazio), potrebbero avere la sensibilità necessaria per distinguere tra i normali buchi neri e i fuzzball.
Se saremo in grado di trovare prove delle fuzzball, non risponderemo solo alla domanda su cosa siano realmente i buchi neri; riveleremo alcuni dei fenomeni più misteriosi esistenti in natura.
