Gli esseri umani del futuro utilizzeranno i motori a curvatura per esplorare il Cosmo? Non è una possibilità da escludere a priori. I motori a curvatura affondano le loro radici in uno dei franchise di fantascienza più famosi di sempre, ma hanno una base scientifica.
I motori a curvatura hanno una base scientifica
Un nuovo studio ha esaminato la scienza dietro di essi e si è chiesto se un guasto al contenimento del motore a curvatura emetterebbe onde gravitazionali rilevabili.
Lo studio è intitolato “What no one has seen before: gravitational waveforms from warp drive collapse” ed è stato pubblicato sul server di prestampa arXiv. Gli autori sono Katy Clough, Tim Dietrich e Sebastian Khan, fisici provenienti da istituzioni nel Regno Unito e in Germania.
C’è spazio per i motori a curvatura nella Relatività Generale, e il fisico messicano Miguel Alcubierre ha descritto come potrebbero teoricamente funzionare nel 1994. È ben noto nei circoli spaziali e di fisica per il suo Alcubierre Drive.
Lo studio
Tutti sanno che nessun oggetto può viaggiare più veloce della luce, ma le unità di curvatura possono offrire una soluzione alternativa. Deformando lo spaziotempo stesso, un veicolo spaziale con un motore a curvatura non infrangerebbe la regola della velocità più veloce della luce (FTL).
“Nonostante abbiano origine nella fantascienza, i motori a curvatura hanno una descrizione concreta nella relatività generale, con Alcubierre che per primo ha proposto una metrica dello spaziotempo che supportava i viaggi più veloci della luce“, hanno spiegato gli autori.
Esistono evidenti barriere scientifiche per realizzare effettivamente un motore a curvatura, ma è possibile simulare come funzionerebbero e come potrebbero essere rilevabili tramite onde gravitazionali in caso di guasto.
Le unità di curvatura distorcono lo spaziotempo stesso, proprio come le fusioni binarie di oggetti compatti come buchi neri e stelle di neutroni. Teoricamente è possibile che emettano un segnale di onda gravitazionale sulla stessa linea delle fusioni.
“Per ricercare tali segnali e identificarli correttamente nei dati misurati, è importante comprenderne la fenomenologia e le proprietà“, hanno aggiunto gli autori.
Si inizia con la comprensione di come potrebbero funzionare i motori a curvatura e, per questo, dobbiamo approfondire la fisica: “L’idea principale dietro un motore a curvatura è che invece di superare la velocità della luce direttamente in un sistema di riferimento locale, cosa che violerebbe l’invarianza di Lorentz, una ‘bolla di curvatura’ potrebbe attraversare distanze più veloci della velocità della luce (misurata da qualche distanza) osservatore) contraendo lo spaziotempo davanti ad esso ed espandendo lo spaziotempo dietro di esso”.
La prima barriera è che i motori a curvatura richiedono una condizione di energia nulla (NEC). La fisica afferma che una regione dello Spazio non può avere una densità di energia negativa. Esistono soluzioni teoriche a questo, ma per ora nessuna di queste è pratica.
“Altri problemi con la metrica includono il potenziale di curve temporali chiuse e, da una prospettiva più pratica, le difficoltà per coloro che sono a bordo della nave nel controllare e disattivare la bolla“.
Questo perché non ci sarebbe modo per l’equipaggio di inviare segnali alla parte anteriore della nave. È difficile che gli eventi all’interno della bolla influenzino gli eventi al di fuori della bolla di curvatura.
“Dal punto di vista della simulazione dinamica della propulsione a curvatura, la sfida principale è la stabilità“, hanno specificato gli autori. Le equazioni mostrano che l’Alcubierre Drive può avviare una bolla di curvatura utilizzando l’equazione di Einstein, ma nessuna equazione conosciuta può sostenerla.
“Non esiste (a nostra conoscenza) alcuna equazione di stato nota che mantenga la metrica del motore di curvatura in una configurazione stabile nel tempo. Pertanto, mentre si può richiedere che inizialmente, la bolla di curvatura sia costante, si evolverà rapidamente allontanandosi da quello stato, e, nella maggior parte dei casi, il fluido di curvatura e le deformazioni dello spaziotempo si disperderanno o collasseranno in un punto centrale”.
Sebbene l’instabilità sia il principale ostacolo, è anche ciò che potrebbe renderli rilevabili. Se un Alcubierre Drive raggiunge una velocità costante, non è rilevabile. Non genera onde gravitazionali e non ha massa ADM . ADM sta per Arnowitt–Deser–Misner, dal nome di tre fisici.
il motore a curvatura non è rilevabile solo se è costante e stabile. Una volta che si rompe, accelera o decelera, potrebbe essere rilevabile. Nel loro lavoro, gli autori hanno permesso alla bolla del motore di curvatura di collassare.
“Fisicamente, questo potrebbe essere correlato a un guasto nel campo di contenimento che la civiltà post-curvatura (presumibilmente) utilizza per sostenere la bolla di curvatura contro il collasso“. Nelle loro formulazioni, la natura della nave in sé non è importante. Solo la bolla di curvatura e il fluido di curvatura all’interno sono significativi.
I ricercatori hanno simulato la rottura della bolla di curvatura. Hanno scoperto che il collasso ha generato onde gravitazionali con caratteristiche diverse da quelle generate dalle fusioni: “Il segnale arriva come un’esplosione, inizialmente priva di contenuto di onde gravitazionali, seguita da un periodo oscillatorio con una frequenza caratteristica dell’ordine 1/[R]”.
“Nel complesso, il segnale è molto distinto dalle tipiche coalescenze binarie compatte osservate dai rilevatori di onde gravitazionali e più simile a eventi come il collasso di una stella di neutroni instabile o la collisione frontale di due buchi neri“.
Gli autori hanno sottolineato che sebbene il motore a curvatura crei un segnale GW, è al di fuori della gamma di frequenza dei nostri attuali rilevatori a terra: “Sono state avanzate proposte per rilevatori a frequenza più elevata, quindi in futuro si potrebbe essere in grado di porre limiti all’esistenza di tali segnali”.
La nave stessa potrebbe anche inviare qualche tipo di segnale multi-messaggero, ma è difficile sapere come la materia della nave interagirebbe con la materia normale. “Poiché non conosciamo il tipo di materia utilizzata per costruire la nave a curvatura, non sappiamo se interagirebbe (a parte gravitazionalmente) con la materia normale mentre si propaga attraverso l’Universo”, hanno aggiunto i ricercatori.
Conclusioni
Questo è un esperimento mentale. È possibile che un giorno in un lontano futuro esista qualche tipo di soluzione alternativa ai viaggi FTL. Se così fosse, potrebbe essere correlato a una migliore comprensione della materia oscura e dell’energia oscura. Se esistono ETI, potrebbero essere in grado di sfruttare la conoscenza fondamentale dell’Universo che ancora non possediamo.
Se riuscissero a capire come costruire e utilizzare un motore a curvatura, nonostante tutte le sue apparenti impossibilità, le loro attività potrebbero creare onde gravitazionali che i nostri futuri osservatori potrebbero rilevare, anche in altre galassie. Ma per ora è tutto teorico.
“Avvertiamo che le forme d’onda ottenute dai motori a curvatura probabilmente saranno altamente specifiche per il modello utilizzato, che presenta diversi problemi teorici noti, come discusso nell’Introduzione“, concludono gli autori nella loro conclusione: “Sarebbe necessario ulteriore lavoro per capire quanto generiche siano le firme e caratterizzare adeguatamente la loro rilevabilità”.
