Sviluppate equazioni che descrivono come i buchi neri riflettono l’universo

Una nuova serie di equazioni può descrivere con precisione i riflessi dell’Universo che appaiono nella luce deformata attorno a un buco nero.

La vicinanza di ciascun riflesso dipende dall’angolo di osservazione rispetto al buco nero e dalla velocità di rotazione del buco nero, secondo una soluzione matematica elaborata dallo studente di fisica Albert Sneppen dell’Istituto Niels Bohr in Danimarca.

Questa nuova soluzione ci fornisce potenzialmente un nuovo strumento per sondare l’ambiente gravitazionale attorno a questi oggetti estremi.

“C’è qualcosa di fantasticamente bello ora nel capire perché le immagini si ripetono in modo così elegante“, ha detto Sneppen. “Inoltre, offre nuove opportunità per testare la nostra comprensione della gravità e dei buchi neri“.

Se c’è una cosa per cui i buchi neri sono noti, è la loro gravità estrema. In particolare che, oltre un certo raggio, la velocità massima raggiungibile nell’Universo, quella della luce nel vuoto, è insufficiente per riuscire a fuggire all’attrazione del buco nero.

Quel punto di non ritorno è l’orizzonte degli eventi – definito da quello che viene chiamato il raggio di Schwarszchild  – ed è il motivo per cui diciamo che nemmeno la luce può sfuggire dalla gravità di un buco nero.

Tuttavia, anche appena fuori dall’orizzonte degli eventi del buco nero, l’ambiente è seriamente stravagante. Il campo gravitazionale è così potente che la curvatura dello spazio-tempo è quasi circolare.

Tutti i fotoni che entrano in questo spazio dovranno, naturalmente, seguire questa curvatura. Ciò significa che, dal nostro punto di vista, il percorso della luce appare deformato e piegato.

All’estremità più interna di questo spazio, appena fuori dall’orizzonte degli eventi, possiamo vedere quello che viene chiamato un anello di fotoni, dove i fotoni viaggiano in orbita attorno al buco nero più volte prima di cadere verso il buco nero o fuggire nello spazio.

Ciò significa che la luce proveniente da oggetti distanti dietro il buco nero può essere ingrandita, distorta e “riflessa” più volte. Questo è il fenomeno cosiddetto della lente gravitazionale; l’effetto è riscontrabile anche in altri contesti, ed è uno strumento utile per studiare l’Universo.

Quindi conosciamo l’effetto da un po’ di tempo e gli scienziati hanno capito che più si guarda verso il buco nero, più si vedono riflessi di oggetti distanti.

Per passare da un’immagine all’altra, dovevi guardare circa 500 volte più vicino al bordo ottico del buco nero, o alla funzione esponenziale di due pi greco (e ^2π), ma come accade era difficile da descrivere matematicamente.

L’approccio di Sneppen è stato quello di riformulare la traiettoria della luce e quantificare la sua stabilità lineare, utilizzando equazioni differenziali del secondo ordine. Ha scoperto che non solo la sua soluzione descrive matematicamente perché le immagini si ripetono a distanze di e^2π, ma che potrebbe funzionare per un buco nero rotante – e che la distanza di ripetizione dipende dallo spin.

“Si scopre che quando ruota molto velocemente, non devi più avvicinarti al buco nero di un fattore 500, ma significativamente meno“, ha detto Sneppen. “In effetti, ogni immagine ora è solo 50, o cinque, o anche solo due volte più vicina al bordo del buco nero“.

In pratica, questo sarà difficile da osservare, almeno a breve: basta guardare l’intensa mole di lavoro che è stata dedicata all’imaging irrisolto dell’anello di luce attorno al buco nero supermassiccio Pōwehi (M87*).

In teoria, tuttavia, dovrebbero esserci infiniti anelli di luce attorno a un buco nero. Dal momento che una volta abbiamo ripreso l’ombra di un buco nero supermassiccio, si spera che sia solo questione di tempo prima di essere in grado di ottenere immagini migliori, e ci sono già piani per ottenere l’immagine di un anello di fotoni .

Un giorno, le infinite immagini vicino a un buco nero potrebbero essere uno strumento per studiare non solo la fisica dello spazio-tempo del buco nero, ma gli oggetti dietro di loro – ripetuti in infiniti riflessi in orbita perpetua.

La ricerca è stata pubblicata su Scientific Reports.