I buchi bianchi esistono?

  • Molte delle leggi della fisica, inclusa tutta la relatività generale, sono simmetriche sia nel tempo che nello spazio: non importa se ti muovi in avanti o indietro.

  • Sappiamo che i buchi neri, la cui esistenza è matematicamente prevista dalla relatività generale, sono assolutamente reali e ne abbiamo persino rilevati e misurati direttamente un gran numero.

  • I buchi bianchi, l’equivalente temporale invertito di un buco nero, potrebbero essere altrettanto reali? E cosa significherebbe per il nostro Universo se così fosse?

Nel nostro Universo, le leggi della fisica ci dicono tutte le possibilità di ciò che è concepibile esistere, ma solo osservando, misurando e sperimentando effettivamente il nostro Universo stesso possiamo determinare ciò che è veramente reale.

Nella relatività generale di Einstein, una delle primissime possibilità mai scoperte fu quella di un buco nero: una regione di spazio con così tanta materia ed energia in un unico posto che dall’interno di quel volume, nulla, nemmeno la luce, potrebbe mai fuggire. Il rovescio della medaglia è una soluzione matematica altrettanto possibile che è il contrario di un buco nero: un buco bianco, da cui emergeranno spontaneamente materia ed energia.

È stato dimostrato, attraverso diversi tipi di osservazioni, che i buchi neri non solo sono fisicamente reali, ma sono piuttosto 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.

Penrose premio Nobel buco nero
Quando la materia collassa, può formare un buco nero. Roger Penrose fu il primo a elaborare la fisica dello spaziotempo, applicabile a tutti gli osservatori in ogni punto dello spazio e in ogni istante del tempo, che governa un sistema come questo. Da allora la sua concezione è diventata il gold standard nella relatività generale. Tuttavia, sebbene si applichi saldamente ai buchi neri non rotanti, nel ragionamento potrebbe esserci un difetto per quello che riguarda i buchi neri rotanti.

L’idea dei buchi bianchi ha molto più senso se si comincia con la loro controparte: i buchi neri. Ideati nel XVIII secolo da John Michell che li chiamava “stelle oscure“, si rese conto che proprio come tutte le masse nell’Universo hanno una “velocità di fuga” dalla loro superficie – cioè, c’è una certa velocità che si deve riuscire a sfuggire completamente alla sua attrazione gravitazionale: se una massa sufficiente fosse raccolta in un volume sufficientemente piccolo, la velocità di fuga raggiungerebbe o supererebbe la velocità della luce. Poiché nulla può muoversi più velocemente di quella velocità, questi oggetti possono solo assorbire luce e materia, ma non emettono nulla entro una certa distanza: L‘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 di gravità più completa. Tuttavia i buchi neri rimasero: fu dimostrato che esistevano nell’ambito della teoria di Einstein già nel 1916, e furono scoperte anche versioni di buchi neri con cariche elettriche e momento angolare (cioè spin) così come massa. Ancora una volta, con una massa sufficiente in una regione dello spazio, la creazione di un buco nero è quasi inevitabile.

Orizzonti degli eventi EHT
Confronto delle dimensioni dei due buchi neri ripresi dalla collaborazione Event Horizon Telescope (EHT): M87*, nel cuore 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. La dimensione angolare degli orizzonti degli eventi e il modo in cui appaiono ai nostri telescopi a causa degli effetti relativistici corrisponde perfettamente alle previsioni della relatività generale di Einstein. Crediti : collaborazione EHT (Ringraziamenti: 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 – a volte scherzosamente definita un luogo in cui “Dio è diviso per zero” – è il luogo in cui le leggi della fisica vengono meno. Nel caso di un buco nero, è lì che le regole che descrivono lo spazio e il tempo non sono più applicabili.

Indipendentemente dalla configurazione iniziale di materia ed energia che avevi prima della formazione di un buco nero, una volta che il 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 un momento angolare (cioè se gira), allora quella singolarità viene imbrattata in un anello unidimensionale: e tuttavia, le leggi della fisica si infrangono ovunque lungo quell’anello.

Anche se non emettono luce, tuttavia, i loro effetti sulla materia – dalle stelle binarie compagne al gas e alla materia in caduta, 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 all’orizzonte degli eventi di un buco nero stesso.

buco nero schwarzschild
Sia all’interno che all’esterno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero di Schwarzschild, lo spazio scorre come un tappeto mobile o una cascata, a seconda di come lo si desidera visualizzare. All’orizzonte degli eventi, anche se corressi (o nuotassi) alla velocità della luce, non ci sarebbe modo di superare il flusso dello spaziotempo, che ti trascina nella singolarità al centro. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi, tuttavia, altre forze (come l’elettromagnetismo) possono spesso superare l’attrazione della gravità, provocando la fuoriuscita anche della materia in caduta. Credito : Andrew Hamilton/JILA/Università del Colorado

Questo è un buco nero, ma cos’è un buco bianco?

Ci sono due modi per concepirlo. Il primo è semplicemente riconoscere che la relatività generale è una teoria simmetrica rispetto al tempo: se osservi un sistema di materia ed energia in movimento attraverso la struttura 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 i casi più bizzarri. Due buchi neri, che orbitano l’uno attorno all’altro in un’orbita decadente ed emettono onde gravitazionali, obbediscono alle stesse regole fisiche di due buchi neri che orbitano l’uno attorno all’altro e assorbono le onde gravitazionali dall’ambiente circostante, allontanandosi sempre di più nel tempo. Una nuvola di materia in contrazione che si frammenta in grumi che alla fine formeranno stelle obbedisce alle stesse regole di una serie di grumi di materia in espansione che si allontanano dai loro punti di origine e si diffondono in una nuvola 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 con inversione temporale è un modo efficace per concepire un buco bianco.

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

Un altro modo di pensare a un buco bianco non è invertire la freccia del tempo, ma piuttosto pensare a cosa succede se tratti lo spazio come reversibile. Prima di chiederti come sia possibile una cosa del genere, sappi che ne abbiamo un analogo nel mondo reale: una sfera sferica a specchio. Se mettessimo uno specchio sferico nello spazio, potremmo vedere in esso il riflesso dell’intero Universo esterno, semplicemente guardando lo specchio dalla giusta prospettiva.

Ebbene, lo spaziotempo all’interno e all’esterno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero si comporta in modo analogo a quella situazione. Se consideriamo un buco nero definito solo da una massa puntiforme, ovvero 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 i casi sono tre:

  1. r > R , che ci pone fuori dall’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.

Ora, ecco la parte difficile: invertire lo spazio. Non dobbiamo fare altro che 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 colloca fuori dall’orizzonte degli eventi.

Nonostante il fatto che queste siano le condizioni opposte per un buco nero, le equazioni che descrivono lo spazio e il tempo sono identiche in entrambi i casi.

Ciò significa, quindi, che se facciamo finta che un buco nero sia “capovolto” al rovescio – in modo che ogni punto all’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero (inclusa la sua singolarità in r = 0) ora corrisponda a un punto all’esterno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero (dove la singolarità ora va ovunque in 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 semplicemente invertito. Invece di un buco nero, questo oggetto “capovolto” può ora essere pensato come un buco bianco.

Kerr antiverso andrew hamilton
Quando un osservatore entra in un buco nero non rotante, non c’è scampo: si viene schiacciati dalla singolarità centrale. Tuttavia, in un buco nero rotante (Kerr), è possibile passare attraverso il centro del disco delimitato dalla presunta singolarità ad anello. Crediti : Andrew Hamilton, JILA, Università del Colorado-Boulder

Una delle domande che spesso si pongono i fisici è questa: quando qualcosa passa dall’altra parte (cioè all’interno) dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, dove va? Certo, puoi semplicemente affermare: “Va nella singolarità centrale del buco nero“, ma questa è una risposta insoddisfacente, soprattutto perché sappiamo che le leggi della fisica non funzionano in quella singolarità.

Una possibilità che viene spesso presa in considerazione 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 anche un punto da cui le cose “emergono”. Piuttosto che essere semplicemente “la fine” della storia della materia, potrebbe invece essere “l’inizio” di una storia nuova, 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 e 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 non sfuggono al fatto che, per molti versi, ciò sembra corrispondere a un evento straordinario accaduto 13,8 miliardi di anni fa: il Big Bang caldo.

Equazione di Friedmann
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 sostengono, che l’Universo abbia avuto inizio 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. 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 Big Bang caldo, siano emersi da uno stato non molto diverso da un buco bianco, e che ciò sia stato forse causato da un Universo precedente che formava un buco nero, di cui la nostra emergenza è stata la conseguenza?

C’è un calcolo divertente che si può fare con un piccolo sforzo che suggerisce che questa idea potrebbe essere un’idea da prendere 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 (dopo tutto, se l’equazione più famosa di Einstein ci dice che E = mc² , allora è anche vero che m = E/c² , quindi possiamo trovare un valore di massa equivalente per tutte le cose che possiedono energia).

Se tutta quella massa andasse a creare un buco nero, potresti calcolare quale sia il raggio atteso per un buco nero con un orizzonte degli eventi con una massa equivalente a quella che si trova all’interno del nostro Universo osservabile.

universo bambino
Durante l’inflazione cosmologica, lo spazio contenuto nella regione inflazionistica cresce esponenzialmente, raddoppiando in tutte e tre le dimensioni per ogni piccola frazione di secondo che passa. Laddove l’inflazione finisce, ne consegue un caldo Big Bang. Ma a causa degli effetti quantistici, ogni regione in cui si verifica un Big Bang sarà circondata da uno spazio più in espansione, in espansione esponenziale, garantendo che nessuna delle due regioni in cui si verifica il Big Bang caldo si scontri, si intersechi o si sovrapponga. Credito : Kavli IMPU

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

Anche se non abbiamo ancora osservato alcuna prova dell’esistenza 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 esista un “buco bianco” nell’Universo. dall’altra parte di ogni buco nero che sia mai stato creato.

Infatti, 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 il nostro Universo abbia sperimentato appena prima dell’evento. l’inizio del Big Bang caldo: un periodo di espansione esponenziale, molto simile a quella che oggi conosciamo come inflazione cosmica.

orizzonte degli eventi del buco nero
Dall’esterno di un buco nero tutta la materia in caduta emette luce ed è sempre visibile, mentre da dietro l’orizzonte degli eventi non può uscire nulla. Ma se fossi tu a cadere in un buco nero, la tua energia potrebbe riemergere come parte di un Big Bang caldo in un universo appena nato. Credito : 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 uno nel nostro Universo. L’orizzonte degli eventi, sfortunatamente, è molto bravo a “nascondere” qualunque altra cosa accada al suo interno. Potrebbe esserci qualcosa di molto interessante nelle posizioni centrali di ogni buco nero nel nostro Universo, ma non saremo mai in grado di accedervi. Potrebbe essersi verificato qualcosa di molto interessante in ciò che ha dato origine al nostro Universo prima dell’inizio dell’inflazione cosmica e delle sue conseguenze: il Big Bang caldo, ma non abbiamo modo di ottenere alcuna informazione su quel periodo.

La verità è che la quantità di informazioni presenti nell’Universo è limitata e ci rende incapaci di ricostruire cosa sta succedendo (o cosa è successo) dall’altra parte di questi eventi. Vale la pena tenere presente che la relatività generale ammette che i buchi bianchi abbiano pari possibilità rispetto ai buchi neri, ma che solo l’evidenza osservativa dell’esistenza dei buchi neri è stata trovata nel nostro Universo.

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, nella migliore delle ipotesi, solo speculativa.

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