I buchi neri sono wormhole?

Nella fantascienza, gli esploratori spaziali sfrecciano regolarmente attraverso wormhole nello spazio-tempo collegati da due buchi neri: oggetti celesti così densi che nemmeno la luce può sfuggire alle loro grinfie.

I buchi neri come porte nei wormhole

Ma i buchi neri sono davvero delle porte nei wormhole? E questi wormhole assomigliano in qualche modo alle loro controparti in “Star Trek”?

La risposta è probabilmente no, anche se la matematica dell’universo non lo esclude del tutto.

Di per sé, l’unica cosa al centro di un buco nero è una singolarità, un punto di densità infinita.

In teoria, un buco nero può essere accoppiato con un gemello specchio, chiamato buco bianco, per formare un wormhole. Tuttavia, questi wormhole teorici non assomiglierebbero per niente a quelli raffigurati nella fantascienza: si prevede che i wormhole siano incredibilmente instabili, il che significa che collasserebbero nel momento in cui una singola particella di materia vi entrasse.

Alcuni fisici prevedono che un wormhole potrebbe diventare più stabile se si fosse formato da un buco nero rotante, ma la nostra comprensione di ciò che accade in quello scenario è nella migliore delle ipotesi oscura.

Ponti di Einstein-Rosen

Gli scienziati hanno scoperto i buchi neri per la prima volta non attraverso le osservazioni nell’universo, ma attraverso la matematica della teoria della relatività generale di Einstein. Quelle equazioni hanno mostrato che se si sgretola abbastanza materia in un volume sufficientemente piccolo, la gravità travolge ogni altra forza e rimpicciolisce la materia in un punto infinitamente piccolo, noto come singolarità.

I buchi neri sono viaggi di sola andata. Una volta che qualcosa attraversa i suoi confini, noti come orizzonti degli eventi, non può più sfuggirne. Mentre un tempo i buchi neri erano considerati solo un trucco delle equazioni di Einstein, le osservazioni astronomiche alla fine hanno rivelato che i buchi neri esistono nell’universo.

Ma quella stessa matematica consente anche l’esatto contrario di un buco nero: un buco bianco. Un buco bianco ha ancora una singolarità al centro e un orizzonte degli eventi che lo circonda. Ma, a differenza di un buco nero, in un buco bianco un oggetto non potrebbe mai raggiungere l’orizzonte degli eventi dall’esterno, poiché lancia costantemente il suo contenuto nell’universo più velocemente della velocità della luce.

Il collegamento delle singolarità accoppiate di un buco nero e di un buco bianco insieme forma il tipo più semplice di wormhole, noto anche come ponte di Einstein-Rosen.

Sfortunatamente, i ponti di Einstein-Rosen non sono molto utili per attraversare il cosmo. Per uno, l’ingresso del wormhole si trova dietro l’orizzonte degli eventi. Poiché un oggetto non può entrare dal lato del buco bianco, dovrebbe cadere in un buco nero per entrare. Ma una volta che qualcosa attraversa un orizzonte degli eventi, non può più uscirne. Ciò significa che se entri nel wormhole rimani bloccato all’interno per l’eternità.

L’altro problema con i ponti di Einstein-Rosen è la loro stabilità. “Questo ponte è una specie di wormhole, ma è transitorio: si stacca prima che qualsiasi oggetto possa usarlo per passare da una parte all’altra. Quindi in questo senso non si ha davvero un wormhole, poiché non lo si può attraversare”, ha affermato Samir Mathur, fisico della Ohio State University.

Questa instabilità esiste perché la creazione di un wormhole richiede una disposizione della materia molto precisa e attenta. Tutto ciò che disturba questo delicato equilibrio, anche un singolo pacchetto di luce o fotone, attiverebbe il collasso istantaneo del wormhole. Il wormhole si lacera da solo come un elastico teso più velocemente della velocità della luce, impedendo a qualsiasi cosa di percorrerlo.

Inoltre, i fisici in gran parte pensano che i buchi bianchi non esistano nel nostro universo. A differenza dei loro fratelli, i buchi bianchi sono straordinariamente instabili. Secondo la matematica, una volta che anche un solo frammento di materia cade verso di loro, esplodono all’istante. Quindi, anche se i buchi bianchi si formassero naturalmente, non durerebbero molto a lungo.

La combinazione dell’incertezza sull’esistenza dei buchi bianchi, l’instabilità dei ponti Einstein-Rosen e la relativa non utilità di essi, significa che se i wormhole esistono, probabilmente non sono ponti di Einstein-Rosen.

Una singolarità rotante

Potrebbe esserci un modo per costruire un wormhole da un tipo più complicato di buco nero: tenendo conto della loro rotazione. Tutti i buchi neri ruotano, ma il matematico neozelandese Roy Kerr è stato il primo a risolvere equazioni matematiche per la rotazione dei buchi neri.

Al centro di un buco nero rotante, le forze centrifughe estreme diffondono la singolarità puntiforme in un anello. Potrebbe essere possibile che questa “singolarità dell’anello” diventi l’ingresso di un wormhole, ma ancora una volta si presenta il problema della stabilità.

“La singolarità di un buco di Kerr è circondata da un ‘orizzonte interno’, che a sua volta è circondato dall’orizzonte esterno. Le persone credono che l’orizzonte interno non sia un concetto stabile e che piccole quantità di materia che cadono potrebbero cambiare completamente la regione all’interno di questo orizzonte, e quindi modificarne anche la singolarità”, ha detto Mathur. 

Il problema è che se la materia cade verso la singolarità dell’anello, incontra due effetti contrastanti: l’immensa attrazione gravitazionale della singolarità stessa e l’estrema forza centrifuga dello spin al centro del buco nero, che agirebbe in direzione opposta.

Come si può immaginare, questa non è una situazione molto confortevole ed è probabile che le cose vadano in tilt molto rapidamente. La situazione è così instabile che può addirittura impedire del tutto la formazione della singolarità. In questo caso, molti fisici ritengono che il concetto di “singolarità dell’anello” da un buco nero rotante sarà sostituito da un’idea più concreta una volta che avremo una migliore comprensione di questi oggetti.

Fonte: livescience