I fisici hanno a lungo supposto che l’universo sia praticamente lo stesso in qualsiasi direzione, e ora hanno trovato un nuovo modo per testare questa ipotesi: esaminando l’ombra di un buco nero.
Se quell’ombra risultasse un po’ più piccola di quanto prevedono le teorie della fisica esistenti, potrebbe aiutare a dimostrare una nozione chiamata gravità di Bumblebee, che descrive cosa accadrebbe se la simmetria apparentemente perfetta dell’universo non fosse, dopo tutto, così perfetta.
Se gli scienziati riuscissero a trovare un buco nero con un’ombra così sottodimensionata, aprirebbe la porta a una nuova comprensione della gravità e forse spiegherebbe perché l’universo si sta espandendo sempre più velocemente.
Ma per capire come potrebbe volare questa idea del calabrone, approfondiamo un po’ di fisica fondamentale.
I fisici amano la simmetria; dopotutto, ci aiuta a comprendere alcuni dei segreti più profondi dell’universo. Ad esempio, i fisici hanno capito che se conduci un esperimento sulla fisica fondamentale puoi spostare la tua attrezzatura di prova da qualche altra parte e otterrai di nuovo lo stesso risultato (cioè, se tutti gli altri fattori, come la temperatura e la forza di gravità, restano gli stessi).
In altre parole, non importa dove nello spazio conduci il tuo esperimento, otterrai sempre lo stesso risultato. Attraverso la logica matematica, questo porta direttamente alla legge di conservazione della quantità di moto.
C’è un’altra importante simmetria che forma un fondamento della fisica moderna. Si chiama simmetria di “Lorentz“, in onore di Hendrik Lorentz, il fisico che ha scoperto tutto questo all’inizio del 1900. Si scopre che puoi prendere il tuo esperimento e girarlo, e (a parità di condizioni) otterrai lo stesso risultato. Puoi anche aumentare il tuo esperimento a una velocità fissa e ottenere comunque lo stesso risultato.
In altre parole, tutto il resto è uguale – e sì, lo ripeto spesso, perché è importante – se conduci un esperimento a riposo totale e lo stesso esperimento a metà della velocità della luce, otterrai lo stesso risultato.
Questa è la simmetria che Lorentz ha scoperto: le leggi della fisica sono le stesse indipendentemente da posizione, tempo, orientamento e velocità.
Cosa otteniamo da questa simmetria fondamentale? Bene, per cominciare, otteniamo l’intera teoria della relatività speciale di Einstein, che stabilisce una velocità costante della luce e spiega come lo spazio e il tempo sono collegati per gli oggetti che viaggiano a velocità diverse.
La relatività speciale è così essenziale per la fisica che è quasi una metateoria della fisica: se vuoi inventare la tua idea di come funziona l’universo, deve essere compatibile con i dettami della relatività speciale.
O no.
I fisici cercano costantemente di elaborare teorie della fisica nuove e migliorate, perché quelle vecchie, come la relatività generale, che descrive come la materia deforma lo spazio-tempo e il modello standard della fisica delle particelle, non possono spiegare tutto l’universo, come ciò che accade nel cuore di un buco nero. E un posto molto interessante per cercare nuova fisica è vedere se qualche nozione cara potrebbe non essere così accurata in condizioni estreme – nozioni care come la simmetria di Lorentz.
Alcuni modelli di gravità sostengono che l’universo non sia esattamente simmetrico, dopotutto. Questi modelli prevedono che ci sono ingredienti extra nell’universo che lo costringono a non obbedire esattamente sempre alla simmetria di Lorentz. In altre parole, ci sarebbe una direzione speciale, o privilegiata, nel cosmo.
Questi nuovi modelli descrivono un’ipotesi chiamata “gravità del calabrone“. Prende il nome dalla presunta idea che gli scienziati una volta affermassero che i bombi non dovrebbero essere in grado di volare, perché non capivamo come le loro ali generassero il sollevamento (A proposito, gli scienziati non lo hanno mai creduto). Non capiamo appieno come funzionano questi modelli di gravità e come potrebbero essere compatibili con l’universo che vediamo, eppure eccoli lì, a fissarci in faccia come opzioni valide per la nuova fisica.
Uno degli usi dei modelli gravitazionali del calabrone è potenzialmente quello di spiegare l’energia oscura, il fenomeno ritenuto responsabile dell’espansione accelerata osservata dell’universo. Si scopre che il grado in cui il nostro universo viola la simmetria di Lorentz può essere legato a un effetto che genera un’espansione accelerata. E poiché non abbiamo idea di cosa stia creando l’energia oscura, questa possibilità sembra davvero molto allettante.
L’ombra nera
(ricordi quella prima immagine in assoluto del buco nero M87, prodotta dall’Event Horizon Telescope solo un anno fa? Quel vuoto oscuro e di una bellezza ossessiva al centro dell’anello luminoso è l ‘”ombra” del buco nero, la regione da cui neanche la luce può uscire).
Per rendere il modello il più realistico possibile, il team ha posizionato un buco nero sullo sfondo di un universo che stava accelerando nella sua espansione (esattamente come quello che osserviamo) e ha regolato il livello di violazione della simmetria per adattarlo al comportamento dell’energia oscura.
Hanno scoperto che, in questo caso, l’ombra di un buco nero può apparire fino al 10% più piccola di quanto sarebbe in un mondo “a gravità normale”, fornendo un modo chiaro per testare la gravità del calabrone. Mentre l’immagine attuale del buco nero M87 è troppo sfocata per capire la differenza, sono in corso sforzi per scattare foto ancora migliori di più buchi neri, per esplorare alcuni dei misteri più profondi dell’universo.
