Cosa sono i buchi bianchi? Esistono davvero?

Nel nostro Universo, le leggi della fisica ci dicono tutte le possibilità di ciò che è consentito concepibilmente esistere, ma solo osservando, misurando e sperimentando effettivamente possiamo determinare ciò che è veramente reale. Nella Relatività Generale di Einstein, una delle primissime possibilità mai scoperte fu quella dell’esistenza di un buco nero: una regione dello spazio con così tanta materia ed energia concentrate in un punto che dall’interno di quel volume niente, nemmeno la luce, avrebbe mai potuto fugggire. Il rovescio della medaglia è una soluzione matematica altrettanto possibile che è l’opposto di un buco nero: un buco bianco, da cui emergeranno spontaneamente materia ed energia.

È stato dimostrato, attraverso molti diversi tipi di osservazioni, che i buchi neri non solo sono fisicamente reali, ma sono abbastanza abbondanti in tutto l’Universo. E i buchi bianchi? Cosa sono, e sono anche fisicamente reali?

È una delle possibilità più affascinanti mai concepite. Diamo uno sguardo approfondito a tutto ciò che sappiamo.

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Quando la materia collassa, può formare un buco nero. Roger Penrose è stato il primo a elaborare la fisica dello spaziotempo, applicabile a tutti gli osservatori in tutti i punti dello spazio e in tutti gli istanti nel tempo, che governa un sistema come questo. Da allora la sua concezione è stata il gold standard nella Relatività Generale. ( Credito : J. Jarnstead/Accademia Reale Svedese delle Scienze)

L’idea dei buchi bianchi ha molto più senso se si inizia con la sua controparte molto più familiare: il buco nero. Pensato per la prima volta nel 18° secolo da John Michell che si riferiva a loro come “stelle oscure“, ci si rese conto che poiché tutte le masse nell’Universo hanno una “velocità di fuga” dalla loro superficie – cioè, c’è una certa velocità che si deve raggiungere per sfuggire completamente alla sua attrazione gravitazionale – se una massa sufficiente viene raccolta in un volume sufficientemente piccolo, quella velocità di fuga raggiungerà o supererà la velocità della luce. Poiché nulla può muoversi più velocemente di quella velocità, questi oggetti assorbirebbero luce e materia, ma non ne emetterebbero mai entro una certa distanza: il suo orizzonte degli eventi.

L’idea originale fu avanzata nel contesto della gravità newtoniana, ma nel 1915 fu pubblicata la teoria della relatività generale di Einstein, che sostituì quella di Newton con una legge della gravità più completa. Ciononostante, i buchi neri persistettero: fu dimostrato che essi erano possibili all’interno della teoria di Einstein già nel 1916, e furono scoperte anche versioni di buchi neri con cariche elettriche e momento angolare (cioè spin) oltre che con massa. Con una massa sufficiente in una regione dello spazio, la creazione di un buco nero è quasi inevitabile.

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Confronto delle dimensioni dei due buchi neri ripresi dalla collaborazione Event Horizon Telescope (EHT): M87*, al centro della galassia Messier 87, e Sagittarius A* (Sgr A*), al centro della Via Lattea. Sebbene il buco nero di Messier 87 sia più facile da immaginare a causa della lenta variazione temporale, quello attorno al centro della Via Lattea è il più grande visto dalla Terra. ( Credito : collaborazione EHT (riconoscimento: Lia Medeiros, xkcd))

Una delle cose affascinanti che devono accadere all’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, secondo le leggi della relatività, è la formazione di una singolarità. Una singolarità è qualcosa dove le leggi della fisica si infrangono. Nel caso di un buco nero, è dove le regole che descrivono lo spazio e il tempo non sono più applicabili; è come se in quel luogo non ottenessi altro che sciocchezze per le risposte a qualsiasi domanda fisica che puoi porre al sistema.

Indipendentemente dalla configurazione iniziale di materia ed energia che avevi prima della formazione di un buco nero, una volta che quel materiale collassa e forma un orizzonte degli eventi, la creazione di una singolarità non può essere evitata. Se hai solo massa per il tuo buco nero, quella singolarità sarà un punto, circondato da un orizzonte degli eventi sferico. Se il tuo buco nero ha anche momento angolare (cioè se ruota), allora quella singolarità viene spalmata in un anello unidimensionale: e, ancora, le leggi della fisica si infrangono ovunque lungo quell’anello, dando di nuovo risposte senza senso a qualsiasi domanda coinvolga il tempo o lo spazio.

Anche se non emettono alcuna luce, tuttavia, i loro effetti sulla materia – dalle stelle binarie compagne alla caduta di gas e materiale fino ai fotoni che vengono piegati e distorti dalla gravità del buco nero – hanno rivelato la loro presenza per molti decenni, culminando, alcuni anni fa, con l’immagine diretta della luce piegata attorno allo stesso orizzonte degli eventi di un buco nero.

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Sia all’interno che all’esterno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero di Schwarzschild, lo spazio scorre come un marciapiede mobile o una cascata, a seconda di come si desidera visualizzarlo. Ma all’interno dell’orizzonte degli eventi, lo spazio scorre più veloce della velocità alla quale qualsiasi particella quantistica può viaggiare: la velocità della luce. Di conseguenza, tutte le forze dirette verso l’esterno non si muovono verso l’esterno, ma sono invece attratte verso l’interno verso la singolarità centrale. Se invertissi il tempo, tutto scorrerebbe all’indietro, dandoti invece un buco bianco. ( Credito : Andrew Hamilton/JILA/Università del Colorado)

Quindi se questo è un buco nero, cos’è un buco bianco?

I buchi bianchi

Ci sono due modi per vederlo. Uno è semplicemente riconoscere che la Relatività Generale è una teoria simmetrica nel tempo: se osservi un sistema di materia ed energia in movimento attraverso il tessuto dello spazio nel tempo, non puoi dire se l’orologio sta andando avanti o indietro. Le previsioni della Relatività Generale sono simmetriche nel tempo, il che significa che gli oggetti si muovono, accelerano e interagiscono secondo le stesse leggi in entrambi i casi.

Questo vale anche per casi bizzarri. Due buchi neri, che orbitano l’uno intorno all’altro in modo decadente ed emettono onde gravitazionali, obbediscono alle stesse regole fisiche di due buchi neri che orbitano l’uno intorno all’altro e assorbono le onde gravitazionali dall’ambiente circostante, allontanandosi sempre di più nel tempo. Una nube di materia in contrazione che si frammenta in ammassi che alla fine formeranno le stelle obbedisce alle stesse regole di una serie di ammassi di materia in espansione che si allontanano dai loro punti di origine e si diffondono in una nube grande e soffice.

E la materia che collassa per formare un orizzonte degli eventi e poi una singolarità, cioè un buco nero, obbedisce esattamente alle stesse regole di una singolarità da cui emergono materia ed energia, così come spazio e tempo. Considerare il caso di un buco nero invertito nel tempo è un modo efficace per concepire un buco bianco.

Proprio come l’intero Universo situato al di fuori di uno specchio sferico sarà codificato sul riflesso nella superficie dello specchio, è possibile che ciò che accade all’interno di un buco nero codifichi un Universo completamente nuovo all’interno. È possibile che questo sia rilevante anche per il nostro Universo. ( Credito : Antti T. Nissinen/flickr)

Un altro modo di pensare ai buchi bianchi non è invertire la freccia del tempo, ma piuttosto pensare a cosa succede se tratti lo spazio come reversibile. Prima di grattarti la testa chiedendoti come sia possibile una cosa del genere, tieni presente che ne abbiamo un analogo nel mondo reale: un globo sferico specchiato. Se mettessi uno specchio sferico nello spazio, sareste in grado di vedervi riflesso l’intero Universo esterno, semplicemente guardando lo specchio dalla giusta prospettiva.

Bene, lo spaziotempo all’interno e all’esterno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero si comporta esattamente in modo analogo a quella situazione. Se consideri un buco nero che è definito solo da una massa puntiforme, cioè un buco nero di Schwarzschild, allora per qualunque valore di massa/energia abbia il buco nero, possiamo anche definire un raggio specifico (lo chiamiamo “R”) per l’orizzonte degli eventi del buco nero.

Puoi porre ogni sorta di domande su “come si comporta lo spazio” a qualsiasi distanza da quel buco nero, e possiamo invece chiamare quella distanza ” r “. Ora ci sono tre casi:

  1. r > R , che ci pone al di fuori dell’orizzonte degli eventi.
  2. r = R , che ci colloca all’orizzonte degli eventi.
  3. r < R , che ci colloca all’interno dell’orizzonte degli eventi.
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Un’illustrazione dello spaziotempo fortemente curvo per una massa puntiforme, che corrisponde allo scenario fisico di trovarsi al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Man mano che ti avvicini sempre di più alla posizione della massa nello spaziotempo, lo spazio diventa più fortemente curvo, portando infine a un luogo dall’interno dal quale nemmeno la luce può sfuggire: l’orizzonte degli eventi. Il raggio di quella posizione è determinato dalla massa, dalla carica e dal momento angolare del buco nero, dalla velocità della luce e dalle sole leggi della Relatività Generale. Abbastanza sorprendentemente, se sostituisci “r/R” con il suo inverso, “R/r”, puoi mappare l’interno di un buco nero sull’esterno e viceversa, trasformando la tua soluzione per un buco nero in una per un buco bianco. ( Credito : JohnsonMartin/Pixabay)

Ora, ecco la parte difficile: invertire lo spazio. Tutto quello che dobbiamo fare è sostituire r, ovunque lo vediamo, con il suo inverso rispetto all’orizzonte degli eventi: ℛ, che possiamo definire come ℛ =  / r.

Sorprendentemente, ora abbiamo gli stessi tre casi, ma tutto è invertito!

  1. ℛ > R , che ci colloca all’interno dell’orizzonte degli eventi,
  2. ℛ = R , che ci colloca all’orizzonte degli eventi,
  3. e ℛ < R , che ci pone al di fuori dell’orizzonte degli eventi.

Nonostante il fatto che questo sia ora l’insieme opposto di condizioni per un buco nero, le equazioni che descrivono lo spazio e il tempo sono identiche per entrambi i casi.

Ciò significa, quindi, che se fingiamo che un buco nero sia “capovolto” – in modo che ogni punto dall’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero (compresa la sua singolarità a r = 0) ora corrisponda a un punto al di fuori di l’orizzonte degli eventi di un buco nero (dove la singolarità ora va ovunque a r = ∞), e viceversa: recuperiamo lo stesso comportamento. L’unica differenza è che ciò che era fuori ora è dentro e ciò che era dentro ora è fuori; è solo invertito. Invece di un buco nero, questo oggetto “capovolto” può ora essere pensato come un buco bianco.

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Quando un osservatore entra in un buco nero non rotante, non c’è scampo: vieni schiacciato dalla singolarità centrale. Tuttavia, in un buco nero rotante (Kerr), che passa attraverso il centro del disco delimitato dalla singolarità dell’anello potrebbe essere, e potrebbe effettivamente essere, un portale per un nuovo “antiverso” dove le cose hanno proprietà molto diverse da quelle che conosciamo nel nostro Universo. Ciò potrebbe implicare una connessione tra i buchi neri in un Universo e la nascita di un altro a causa del buco bianco. ( Crediti : Andrew Hamilton, JILA, Università del Colorado-Boulder)

Nuovi universi

Una delle domande che i fisici si pongono spesso è questa: quando qualcosa attraversa l’altro lato (cioè l’interno) dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, dove va? Certo, puoi semplicemente affermare “entra nella singolarità centrale del buco nero“, ma questa è una risposta insoddisfacente, soprattutto perché sappiamo che le leggi della fisica si infrangono in quella singolarità.

Una possibilità che viene spesso considerata è che la singolarità potrebbe non essere solo un punto in cui le cose “vanno” dopo essere cadute in un orizzonte degli eventi, ma potrebbe anche essere un punto da cui le cose “emergono“. Piuttosto che essere semplicemente “la fine” della storia per la materia, potrebbe invece essere “l’inizio” di una nuova storia diversa.

In altre parole, è del tutto plausibile che ci saranno eventi che corrispondono a grandi quantità di materia ed energia che emergono in uno specifico luogo e tempo che sembrano corrispondere anche a una singolarità. Non solo il nostro Universo potrebbe avere buchi neri, ma potrebbero esserci anche buchi bianchi: luoghi in cui le cose sembrano iniziare da una singolarità iniziale. I fisici sanno che, per molti versi, ciò sembra corrispondere a un evento straordinario avvenuto 13,8 miliardi di anni fa: il caldo Big Bang.

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Un’illustrazione della nostra storia cosmica, dal Big Bang fino ad oggi, nel contesto dell’Universo in espansione. Non possiamo essere certi, nonostante ciò che molti hanno sostenuto, che l’Universo abbia avuto origine da una singolarità. Tuttavia, è possibile, proprio come i buchi neri “finiscono” in una singolarità, che il nostro Universo e il suo stato inflazionistico, che ha dato origine al caldo Big Bang, siano emersi da una singolarità di buco bianco. ( Credito : team scientifico NASA/WMAP)

Ciò fa emergere l’affascinante possibilità che esista una connessione tra i buchi neri e l’emergere di un nuovo Universo. Ogni volta che il nostro Universo forma un nuovo buco nero, c’è un piccolo Universo che emerge, analogo a un buco bianco, da qualche parte dall’altra parte di una singolarità?

Ciò implica anche che il nostro Universo, e il nostro caldo Big Bang, sono emersi da uno stato non molto diverso da un buco bianco, ed è stato probabilmente causato da un precedente Universo che ha formato un buco nero, da cui la nostra emersione è stata la conseguenza?

C’è un calcolo divertente che si può fare con un piccolo sforzo che suggerisce che questa idea potrebbe essere presa sul serio. Se dovessi sommare tutta la materia e la radiazione all’interno dell’Universo osservabile – tutti gli atomi, tutti i buchi neri, tutta la materia oscura, tutti i fotoni e tutti i neutrini – otterresti un valore per la “massa” effettiva dell’Universo osservabile (in fondo, se la più famosa equazione di Einstein ci dice che E = mc² , allora è anche vero che m = E/c², e così possiamo trovare un valore di massa equivalente per tutte le cose che possiedono energia).

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Quando si forma un buco nero, un’idea speculativa ma spettacolare è che dà vita a un nuovo Universo neonato. Se così fosse, potrebbe gettare una nuova luce sulle nostre stesse origini cosmiche, con implicazioni affascinanti per ciò che potrebbe accadere all’interno dei buchi neri che il nostro Universo ha successivamente formato. Il nostro Universo osservabile ha abbastanza materia ed energia al suo interno che se dovessimo calcolare la dimensione di un orizzonte degli eventi con un equivalente di massa di quel valore, sarebbe di 16,5 miliardi di anni luce di raggio: circa un terzo dell’effettivo valore misurato. ( Credito : Kavli IMPU)

La risposta che ottieni per “quanto sarebbe grande l’orizzonte degli eventi di un buco nero con l’equivalente di massa di tutta la materia e le radiazioni all’interno dell’Universo osservabile?” è un numero notevole: circa 16,5 miliardi di anni luce. Questo è circa un terzo del raggio effettivo fino al bordo dell’Universo osservabile: 46,1 miliardi di anni luce. Infatti, se non fosse per la presenza di energia oscura – se avessimo più materia normale, materia oscura, neutrini o fotoni al posto dell’energia oscura – questi due valori coinciderebbero.

Anche se non abbiamo osservato alcuna prova di buchi bianchi nel nostro Universo, il fatto che abbiamo avuto un Big Bang e il fatto che abbiamo buchi neri nel nostro Universo è abbastanza coerente con l’idea che ci sia un “buco bianco” dall’altra parte di ogni buco nero mai stato creato.

In effetti, andando molto in profondità, se chiedi cosa succede quando cadi oltre l’orizzonte degli eventi esterno di un buco nero rotante, si scopre che ciò che sperimenti assomiglia molto a ciò che crediamo che il nostro Universo abbia sperimentato poco prima della inizio del caldo Big Bang: un periodo di espansione esponenziale, molto simile a quella che oggi conosciamo come inflazione cosmica.

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Dall’esterno di un buco nero, tutta la materia in caduta emetterà luce ed è sempre visibile, mentre nulla da dietro l’orizzonte degli eventi può uscire. Ma se tu fossi quello che è caduto in un buco nero, la tua energia potrebbe plausibilmente riemergere come parte di un caldo Big Bang in un Universo neonato. ( Crediti : Andrew Hamilton, JILA, Università del Colorado)

Ma i buchi bianchi esistono davvero? La verità è che non ne abbiamo mai visto uno e non ci aspettiamo di trovarne mai uno nel nostro Universo. Gli orizzonti degli eventi, sfortunatamente, sono molto bravi a “nascondere” qualsiasi altra cosa accada dall’altra parte di essi. Potrebbe esserci qualcosa di molto interessante nelle posizioni centrali all’interno di ogni buco nero nel nostro Universo, ma non saremo mai in grado di accedervi. Potrebbe essersi verificato qualcosa di molto interessante in qualunque cosa abbia dato vita al nostro Universo prima dell’inizio dell’inflazione cosmica e delle sue conseguenze: il caldo Big Bang, ma non abbiamo modo di ottenere alcuna informazione su quel periodo.

La sobria verità, per quanto possiamo detestarla, è che la quantità di informazioni presenti nell’Universo è finita e ci rende incapaci di ricostruire cosa sta succedendo (o cosa è successo) dall’altra parte di questi eventi. Vale la pena ricordare che la Relatività Generale ammette i buchi bianchi come possibilità uguale ai buchi neri ma che, nel nostro Universo, sono state trovate solo prove osservative per i buchi neri. Mentre la matematica può dirti le possibilità di ciò che potrebbe accadere, solo le osservazioni, le misurazioni e gli esperimenti possono dirti cosa accade nell’Universo. I buchi bianchi rimangono una possibilità intrigante, ma la loro esistenza, in questo momento, può essere considerata solo speculativa, nella migliore delle ipotesi.

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