I buchi neri quasi estremi potrebbero violare il teorema dei capelli

Teorema dei capelli? Cosa sarebbe?

Due gemelli identici non hanno nulla a che fare con i buchi neri. I gemelli possono crescere dagli stessi schemi genetici, ma possono differire in mille modi: dal temperamento all’acconciatura. I buchi neri, secondo la teoria della gravità di Albert Einstein, possono avere solo tre caratteristiche: massa, spin e carica. 

Se questi valori fossero uguali per due buchi neri qualsiasi, sarebbe impossibile distinguerli l’uno dall’altro. Per questo gli astrofisici dicono che i buchi neri non hanno capelli.

Il teorema dei capelli (no hair)

“Per la relatività generale classica, sarebbero esattamente identici“, spiega Paul Chesler, fisico teorico all’Università di Harvard. “Non puoi determinare differenze”.

Eppure gli scienziati hanno cominciato a chiedersi se il “teorema dei capelli” sia strettamente vero. Nel 2012, un matematico di nome Stefanos Aretakis, allora all’Università di Cambridge e ora all’Università di Toronto, ha suggerito che alcuni buchi neri potrebbero avere instabilità sui loro orizzonti degli eventi. 

Queste instabilità darebbero effettivamente ad alcune regioni dell’orizzonte degli eventi di un buco nero un’attrazione gravitazionale più forte di altre. Ciò renderebbe distinguibili buchi neri altrimenti identici.

Tuttavia, le sue equazioni hanno mostrato solo che questo è possibile per i cosiddetti buchi neri estremi, quelli che hanno un valore massimo possibile per la loro massa, rotazione o carica. E per quanto ne sappiamo, “questi buchi neri non possono esistere, almeno così, in natura“, dice Chesler.

E se trovassimo un buco nero quasi estremo, che si avvicina a questi valori estremi ma non li raggiunge del tutto? Un simile buco nero dovrebbe poter esistere, almeno in teoria. 

Potrebbe avere violazioni rilevabili del teorema dei capelli?

Un documento pubblicato alla fine del mese scorso mostra che potrebbe. Inoltre, questi capelli potrebbero essere rilevati da osservatori di onde gravitazionali.

“Aretakis ha sostanzialmente suggerito che alcune informazioni rimangono sull’orizzonte“, spiega Gaurav Khanna, fisico presso l’Università del Massachusetts e l’Università del Rhode Island e uno dei coautori dello studio. “Il nostro documento apre alla possibilità di misurare questi capelli“.

In particolare, gli scienziati suggeriscono che i resti della formazione del buco nero o di disturbi successivi, come la materia che cade nel buco nero, potrebbero creare instabilità gravitazionali sopra o vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero quasi estremo. “Ci aspettiamo che il segnale gravitazionale che vedremmo sarebbe abbastanza diverso da quello dei normali buchi neri che non sono estremi“, dice Khanna.

Se i buchi neri hanno i capelli, conservando così alcune informazioni sul loro passato, ciò potrebbe avere implicazioni per il famoso paradosso dell’informazione sui buchi neri presentato dal defunto fisico Stephen Hawking, suggerisce Lia Medeiros, astrofisica presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey. 

Questo paradosso distilla il conflitto fondamentale tra la relatività generale e la meccanica quantistica, i due grandi pilastri della fisica del XX secolo. “Se violi uno dei presupposti [del paradosso dell’informazione], potresti essere in grado di risolvere il paradosso stesso“, ha detto Medeiros. “Una delle ipotesi è il teorema dei capelli“.

Le ramificazioni di ciò potrebbero essere ampie. “Se possiamo dimostrare che l’effettivo spazio-tempo del buco nero al di fuori del buco nero è diverso da quello che ci aspettiamo, allora penso che avrà implicazioni davvero enormi per la relatività generale“, ha detto Medeiros, coautore di un documento pubblicato ad ottobre in cui si esamina se la geometria osservata dei buchi neri è coerente con le previsioni.

Forse l’aspetto più eccitante di questo ultimo articolo, tuttavia, è che potrebbe fornire un modo per unire le osservazioni dei buchi neri con la fisica fondamentale. Rilevare i capelli sui buchi neri – forse i laboratori astrofisici più estremi dell’universo – potrebbe permetterci di sondare idee come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica in un modo che non è mai stato possibile prima.

Le equazioni di Einstein sono così complicate che ne scopriamo nuove proprietà ogni anno

Tuttavia, ci sono grossi ostacoli. Non è certo che esistano buchi neri quasi estremi (le migliori simulazioni al momento tipicamente producono buchi neri che sono al 30% di distanza dall’essere estremi, ha detto Chesler). E anche se lo facessero, non è chiaro se i rilevatori di onde gravitazionali sarebbero abbastanza sensibili da individuare queste instabilità dei capelli.

Inoltre, i capelli dovrebbero essere incredibilmente di breve durata, durando solo frazioni di secondo.

Ma la carta stessa, almeno in linea di principio, sembra valida. “Non credo che nessuno nella comunità ne dubiti“, ha detto Chesler. “Non è speculativo. Si scopre solo che le equazioni di Einstein sono così complicate che ne stiamo scoprendo nuove proprietà ogni anno. “

Il prossimo passo sarebbe vedere che tipo di segnali dovremmo cercare nei nostri rilevatori gravitazionali: LIGO e Virgo, che operano oggi, o strumenti futuri come lo strumento LISA che sarà messo in orbita dall’Agenzia spaziale europea.

“Dovremmo basarci sul loro lavoro e calcolare veramente quale sarebbe la frequenza di questa radiazione gravitazionale, e capire come potremmo misurarla e identificarla“, dice Helvi Witek, astrofisica presso l’Università dell’Illinois. “Il passo successivo è passare da questo studio teorico molto bello e importante a quella che sarebbe la firma“.

Ci sono molte ragioni per volerlo fare. Sebbene le possibilità di un rilevamento che provi la correttezza del documento sono scarse, una tale scoperta non solo sfiderebbe la teoria della relatività generale di Einstein, ma proverebbe l’esistenza di buchi neri quasi estremi.

“Ci piacerebbe sapere se la natura permetterebbe anche a una tale bestia di esistere“, ha detto Khanna. “Avrebbe implicazioni piuttosto drammatiche per il nostro campo“.

Non ci resta che rimanere in attesa di sapere se davvero i buchi neri quasi estremi possono violare il teorema dei capelli (no hair).