Negli ultimi sette decenni, gli astrofisici hanno teorizzato l’esistenza dei “kugelblitze”, buchi neri causati da concentrazioni estremamente elevate di luce. Questi speciali buchi neri, hanno ipotizzato, potrebbero essere collegati a fenomeni astronomici come la materia oscura, e sono stati persino suggeriti come fonte di energia per ipotetici motori di astronavi in un lontano futuro.
Kugelblitze: i buchi neri causati da concentrazioni estremamente elevate di luce
Una nuova ricerca di fisica teorica condotta da un team di ricercatori dell’Università di Waterloo e dell’Università Complutense di Madrid ha dimostrato che i kugelblitze sono impossibili nel nostro Universo attuale. La loro ricerca, intitolata “No black holes from light”, è stata pubblicata sul server di prestampa arXiv ed è di prossima pubblicazione su Physical Review Letters.
“I buchi neri più comunemente conosciuti sono quelli causati da enormi concentrazioni di materia regolare che collassa sotto la sua stessa gravità“, ha detto Eduardo Martín-Martínez, professore di matematica applicata e fisica matematica e affiliato all’Istituto Perimetrale di Fisica Teorica.
“Poiché nella teoria della relatività generale di Einstein, qualsiasi tipo di energia curva lo spazio-tempo, si è a lungo ipotizzato che un’enorme concentrazione di energia sotto forma di luce potrebbe portare a un collasso simile. Tuttavia, questa previsione è stata fatta senza considerare effetti quantistici“.
Lo studio
Il team ha costruito un modello matematico, tenendo conto degli effetti quantistici, che ha dimostrato che la concentrazione di luce richiesta per creare kugelblitze sarebbe decine di ordini di grandezza maggiore di quella osservata nei quasar, gli oggetti più luminosi del nostro Universo.
“Molto prima che si potesse raggiungere quell’intensità di luce, si sarebbero verificati alcuni effetti quantistici“, ha detto José Polo-Gómez, Ph.D. candidato in matematica applicata e informazione quantistica: “Una concentrazione così forte di luce porterebbe alla creazione spontanea di particelle come coppie elettrone-positrone, che si allontanrebbero molto rapidamente dall’area“.
Sebbene le condizioni necessarie per ottenere un tale effetto siano impossibili da testare sulla terra utilizzando la tecnologia attuale, il team può essere fiducioso nell’accuratezza delle loro previsioni perché si basano sugli stessi principi matematici e scientifici su cui si basano le scansioni della tomografia a emissione di positroni (PET).
“Un modo per comprendere questo fenomeno è pensare all’annichilazione di materia e antimateria, come ciò che accade durante le scansioni PET. Gli elettroni e le loro antiparticelle (positroni) possono annichilarsi a vicenda e disintegrarsi in coppie di fotoni, o “particelle di luce“, ha detto Martín-Martínez.
“I nostri risultati sono una conseguenza del fenomeno chiamato ‘polarizzazione del vuoto’ e dell’effetto Schwinger, e anche se spiegarli in poche parole può essere impegnativo, un modo utile di pensarci è questo: il fenomeno che abbiamo previsto impedirebbe la creazione di kugelblitze è per molti versi simile all’opposto del fenomeno di disintegrazione della materia-antimateria che avviene in una scansione PET. Quando c’è una grande concentrazione di fotoni, questi possono disintegrarsi in coppie elettrone-positrone, che vengono rapidamente disperse portando con sé l’energia e prevenendo il collasso gravitazionale“.
Anche se l’impossibilità di kugelblitze può essere deludente per gli astrofisici, la scoperta è un risultato importante nel tipo di ricerca di fisica fondamentale resa possibile dalla partnership tra la matematica applicata, il Perimeter Institute e l’Institute for Quantum Computing di Waterloo.
Conclusioni
“Anche se queste scoperte potrebbero non avere applicazioni conosciute in questo momento, stiamo gettando le basi per le innovazioni tecnologiche dei nostri discendenti“, ha concluso Polo-Gómez. “La scienza dietro le macchine per la scansione PET una volta era altrettanto teorica, e ora ce n’è una in ogni ospedale“.
