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Viviamo in un piccolo universo all’interno di un buco nero?

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Una delle più grandi domande esistenziali che ha perplesso l’umanità da quando gli esseri umani sono in circolazione è semplicemente “da dove viene tutto questo?” Dopo innumerevoli secoli di semplici domande e speculazioni, il 20° secolo ha portato con sé le prime risposte scientifiche a questa domanda. Abbiamo appreso che gli oggetti distanti nell’Universo si stanno allontanando l’uno dall’altro: la prova che il nostro Universo si sta espandendo. Abbiamo scoperto che le galassie più lontane appaiono più giovani, meno massicce e con maggiori tassi di formazione stellare: la prova che il nostro Universo si evolve nel tempo. E abbiamo scoperto uno sfondo quasi uniforme di radiazione di corpo nero: la prova di uno stato precoce, caldo, denso, dominato dalle radiazioni. Tutti questi pezzi del puzzle, quando messi insieme, indicano che il nostro Universo ha avuto origine da un caldo Big Bang circa 13,8 miliardi di anni fa.

Ma il nostro Universo ha una proprietà molto curiosa che non tutti apprezzano. Se sommi la massa e l’energia di tutte le particelle contenute nell’Universo visibile, puoi porre la domanda “quanto sarebbe grande l’orizzonte degli eventi di un buco nero con questa massa?

E la risposta, forse sorprendentemente, è molto vicina alla dimensione reale dell’orizzonte dell’Universo osservabile. Inoltre, c’è un’altra idea correlata, resa famosa da Stephen Hawking, che ogni volta che nasce un buco nero nel nostro Universo, potrebbe dare origine a un “piccolo universo” accessibile solo a un osservatore che attraversa l’orizzonte degli eventi di quel buco nero. Il nostro Universo, quindi, potrebbe essere stato effettivamente generato da un buco nero che è stato creato in una sorta di grande “Universo genitore”, e diamo vita a un nuovo Universo ogni volta che viene creato un nuovo buco nero?

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È un’idea affascinante che vale la pena esplorare. Ecco cosa ha da dire la scienza al riguardo.

Anche per un’entità complicata come un enorme buco nero rotante (un buco nero di Kerr), una volta attraversato l’orizzonte degli eventi (esterno), indipendentemente dal tipo di materia o radiazione di cui sei composto, cadrai verso il centro singolarità e aggiungerai massa al buco nero. ( Credito : Andrew Hamilton/JILA/Università del Colorado)

La caratteristica distintiva di un buco nero è l’esistenza di un orizzonte degli eventi: un confine che racconta una storia molto diversa per un oggetto al di fuori rispetto a uno al suo interno. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, qualsiasi oggetto sperimenterà i suoi effetti gravitazionali, poiché lo spazio sarà curvato dalla presenza del buco nero, ma può comunque scappare. Se si muove abbastanza velocemente o accelera abbastanza velocemente nella giusta direzione, non cadrà necessariamente nel buco nero, ma potrebbe liberarsi dall’influenza gravitazionale del buco nero.

Una volta che un oggetto attraversa l’altro lato dell’orizzonte degli eventi, tuttavia, è immediatamente destinato a essere incluso nella singolarità centrale del buco nero. A causa della curvatura del tessuto dello spaziotempo all’interno di un buco nero, un oggetto che cade raggiungerà la singolarità entro pochi secondi dall’attraversamento dell’orizzonte degli eventi, facendo crescere la massa del buco nero nel processo. Per qualcuno che si trova al di fuori dell’orizzonte degli eventi, il buco nero sembra formarsi, aumentare di massa e crescere nel tempo.

Uno dei contributi più importanti di Roger Penrose alla fisica dei buchi neri è la dimostrazione di come un oggetto realistico nel nostro Universo, come una stella (o qualsiasi insieme di materia), possa formare un orizzonte degli eventi e come tutta la materia sia legata ad esso incontrerà inevitabilmente la singolarità centrale. ( Credito : J. Jarnstead/Royal Swedish Academy of Sciences; annotazioni di E. Siegel)

Che cosa ha a che fare questo con il nostro Universo, però? Se dovessi prendere tutte le forme conosciute e misurabili di materia e radiazione nell’Universo osservabile, dovresti sommare tutto quanto segue:

  • materia normale, composta da protoni, neutroni ed elettroni,
  • neutrini, particelle fondamentali spettrali che raramente interagiscono con la materia normale,
  • materia oscura, che domina la massa dell’Universo ma finora ha eluso ogni tentativo di rilevarla direttamente,
  • fotoni, o particelle di luce, che trasportano energia da ogni evento elettromagnetico accaduto nel corso della storia cosmica,
  • onde gravitazionali, che si creano ogni volta che una massa si muove e accelera attraverso il tessuto curvo dello spaziotempo.

Ai limiti più remoti di ciò che i nostri strumenti possono rilevare, possiamo vedere fino a circa 46 miliardi di anni luce di distanza in tutte le direzioni. Se sommi tutta l’energia di tutte queste forme nell’intero Universo osservabile, puoi arrivare a una “massa” equivalente per l’Universo usando la relazione più famosa di Einstein: E = mc² .

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Nelle vicinanze, le stelle e le galassie che vediamo assomigliano molto alle nostre. Ma se guardiamo più lontano, vediamo l’Universo com’era in un lontano passato: meno strutturato, più caldo, più giovane e meno evoluto. Misurare l’Universo in epoche diverse ci aiuta a comprendere tutte le diverse forme di materia ed energia presenti al suo interno, inclusa la materia normale, la materia oscura, i neutrini, i fotoni, i buchi neri e le onde gravitazionali. ( Credito : NASA/ESA/A. Feild (STScI))

Poi, se vuoi, puoi porre una domanda piuttosto profonda: se l’intero Universo fosse compresso in un unico punto, cosa accadrebbe? La risposta è la stessa che sarebbe se si comprimesse una raccolta sufficientemente ampia di massa o energia in un unico punto: si formerebbe un buco nero. La cosa notevole della teoria della gravità di Einstein è che se questa raccolta di massa e/o energia non è carica (elettricamente) e non sta ruotando (cioè, non ha un momento angolare), la quantità totale di massa è l’unico fattore che determina quanto è grande il buco nero: quello che gli astrofisici chiamano il suo raggio di Schwarzschild.

Sorprendentemente, il raggio di Schwarzschild di un buco nero con la massa di tutta la materia nell’Universo osservabile è quasi esattamente uguale alla dimensione osservata dell’Universo visibile!

Questa realizzazione, di per sé, sembra una straordinaria coincidenza, che solleva la questione se il nostro Universo possa effettivamente essere in qualche modo l’interno di un buco nero. Ma questo è solo l’inizio della storia; man mano che ci immergiamo più a fondo, le cose diventano ancora più interessanti.

Quando si forma un buco nero, la massa e l’energia collassano in una singolarità. Allo stesso modo, continuare a estrapolare l’Universo in espansione a ritroso nel tempo porta a una singolarità quando le temperature, le densità e le energie sono sufficientemente elevate. Potrebbero essere collegati questi due fenomeni? ( Credito : NASA/CSC/M.Weiss)

A metà degli anni ’60 fu fatta una scoperta che rivoluzionò il nostro concetto di Universo: un bagno uniforme e omnidirezionale di radiazioni a bassa energia apparve da tutte le posizioni del cielo. Questa radiazione aveva la stessa temperatura in tutte le direzioni, ora determinata a 2,725 K, solo pochi gradi sopra lo zero assoluto. La radiazione aveva uno spettro di corpo nero praticamente perfetto, come se avesse un’origine termica calda, e apparisse identica a 1 parte su 30.000, indipendentemente da dove si guardava il cielo.

Questa radiazione – originariamente chiamata palla di fuoco primordiale e ora conosciuta come il fondo cosmico a microonde – rappresenta la prova fondamentale che il nostro Universo si sta espandendo e raffreddando perché in passato era più caldo e più denso. Più indietro estrapoliamo, più piccole, uniformi e compatte ci appaiono le cose. Tornando indietro, questa immagine del caldo Big Bang sembra avvicinarsi a una singolarità, la stessa condizione che si trova all’interno dei buchi neri: un luogo in cui densità, temperature ed energie sono così estreme che le stesse leggi della fisica vengono meno .

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Quando la materia collassa, inevitabilmente forma un buco nero. Penrose è stato il primo a elaborare la fisica dello spaziotempo, applicabile a tutti gli osservatori in tutti i punti dello spazio e in tutti gli istanti del tempo, che governa un sistema come questo. Da allora la sua concezione è stata il gold standard nella Relatività Generale. ( Credito : J. Jarnstead/Royal Swedish Academy of Sciences)

Quando guardi le equazioni che governano un buco nero, c’è qualcosa di straordinario che accade. Se inizi appena fuori dall’orizzonte degli eventi e scappi a una distanza infinita dal buco nero, scoprirai che la tua distanza ( r ) va da R, il raggio di Schwarzschild, all’infinito: ∞. D’altra parte, se inizi appena all’interno dell’orizzonte degli eventi e segui la tua distanza dal buco nero alla singolarità centrale, troverai che la stessa distanza ( r ) va invece da R, il raggio di Schwarzschild, a zero: 0.

Un grosso problema, vero?

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In realtà è un grosso problema, per il seguente motivo: se esamini tutte le proprietà dello spazio al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, da R a ∞, e le confronti con tutte le proprietà dello spazio all’interno dell’orizzonte degli eventi del buco nero , da R a 0, sono identici in ogni singolo punto. Tutto quello che devi fare è sostituire la distanza, r , con il suo reciproco, 1/ r (o, più precisamente, sostituire tutte le istanze di r /R con R/ r ), e scoprirai che l’interno del buco nero è matematicamente identico all’esterno del buco nero.

È quasi come prendere una sfera sferica riflettente al 100% – uno specchio perfetto – e notare che l’intero Universo che si trova al di fuori di quella sfera è ora contenuto, sebbene distorto, nell’immagine speculare che si riflette sulla superficie della sfera.

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

Poiché la nostra comprensione dell’Universo è migliorata e affinata negli ultimi decenni, due nuove scoperte hanno scosso le basi della cosmologia. La prima è stata l’inflazione cosmica: invece di nascere da una singolarità, ora sembra che l’Universo sia stato formato da uno stato rapido e implacabile di espansione costante ed esponenziale che ha preceduto il caldo Big Bang. È come se ci fosse stato una sorta di campo che ha fornito un’energia inerente allo spazio stesso, facendo gonfiare l’Universo, e solo quando l’inflazione terminò iniziò il caldo Big Bang.

La seconda era l’energia oscura: man mano che l’Universo si espande e diventa meno denso, le galassie lontane iniziano ad allontanarsi da noi a un ritmo accelerato. Ancora una volta, anche se con una magnitudine molto più piccola, l’Universo si comporta come se ci fosse una sorta di energia inerente allo spazio stesso, che non si diluisce anche se l’espansione dello spazio continua. Da quando l’inflazione e l’energia oscura sono state considerate i ricercatori hanno ipotizzato una possibile connessione.

Il fatto che ci sia una differenza fondamentale tra il tasso di espansione dell’Universo che deduci a seconda di quale delle due classi di metodi usi per misurarlo rafforza solo questa congettura. Una possibile spiegazione che persiste ostinatamente per riconciliare questa discrepanza è che all’inizio c’era una forma più forte di energia oscura: una che esisteva ancora dopo la fine dell’inflazione ma decadde prima che il fondo cosmico a microonde si disperdesse dal plasma primordiale per l’ultima volta. Forse l’inflazione e l’energia oscura hanno più cose in comune di quanto ci rendiamo conto, e forse i buchi neri forniranno una visione fondamentale della natura di quel legame.

Quale potrebbe essere quella connessione? Ancora una volta, i buchi neri potrebbero essere la risposta. I buchi neri guadagnano massa quando il materiale cade al loro interno e decadono, perdendo massa, attraverso la radiazione di Hawking. Poiché la dimensione dell’orizzonte degli eventi cambia, è possibile che questo cambi l'”energia” inerente al tessuto dello spazio per un osservatore situato all’interno dell’orizzonte degli eventi? È possibile che ciò che percepiamo come inflazione cosmica segni la creazione del nostro Universo da un buco nero ultramassiccio? È possibile che l’energia oscura sia in qualche modo collegata anche ai buchi neri?

E questo significa forse che, poiché i buchi neri astrofisici si sono formati all’interno del nostro Universo, ognuno di essi dà origine al proprio “Universo bambino” da qualche parte al suo interno?

Queste speculazioni esistono da molti decenni e, sebbene ci manchi una conclusione definitiva o dimostrabile, ci sono certamente alcune prove matematicamente convincenti che suggeriscono un collegamento. Tuttavia, molti modelli e idee abbondano e questa linea di pensiero continua ad essere convincente per molti di coloro che studiano i buchi neri, la termodinamica e l’entropia, la relatività generale, così come l’inizio e la fine dell’Universo.

Per circa 10 anni, Roger Penrose ha propagandato affermazioni estremamente dubbie secondo cui l’Universo mostra prove di una varietà di caratteristiche coerenti con il nostro Universo che entra in collisione ed è “contuso da” qualunque cosa sia accaduta prima del Big Bang. Queste caratteristiche non sono solide e non sono sufficienti per fornire supporto alle affermazioni di Penrose. ( Credito : VG Gurzadyan & R. Penrose, Eur. Phys. J. Plus, 2013)

Sfortunatamente, ogni modello fisico che è stato presentato, almeno finora, non è riuscito a fare previsioni uniche che possono fare le tre cose seguenti.

  1. Riprodurre tutti i successi, come i fenomeni già osservati, che il caldo inflazionistico Big Bang ha già rappresentato con successo.
  2. Spiegare e/o rendere conto dei fenomeni osservati che la teoria prevalente non può spiegare.
  3. Fare nuove previsioni che differiscono da quelle previste dall’attuale modello accettato, che possiamo quindi testare.

Forse il tentativo più famoso in tal senso è il Conformal Cyclic Cosmology (CCC) di Roger Penrose, che fa una previsione unica che differisce dal modello cosmologico standard: l’esistenza di punti di Hawking, o cerchi di varianza di temperatura insolitamente bassa nel fondo cosmico a microonde. Sfortunatamente, queste caratteristiche non appaiono in modo robusto nei dati, relegando l’idea che il nostro Universo sia nato da un buco nero – e l’idea che i buchi neri diano origine a universi piccoli – a un’idea puramente speculativa.

Dall’esterno di un buco nero, tutta la materia in caduta emette luce ed è sempre visibile, mentre nulla da dietro l’orizzonte degli eventi può uscire. Ma se tu fossi quello che cade in un buco nero, la tua energia potrebbe plausibilmente riemergere come parte di un caldo Big Bang in un Universo appena nato. ( Credito : Andrew Hamilton, JILA, Università del Colorado)

C’è molto da apprezzare sull’idea che ci sia una connessione tra i buchi neri e la nascita degli universi, sia dal punto di vista fisico che matematico. È plausibile che ci sia una connessione tra la nascita del nostro Universo e la creazione di un buco nero estremamente massiccio da un Universo che esisteva prima del nostro; è plausibile che ogni buco nero che è stato creato nel nostro Universo abbia dato origine a un nuovo Universo al suo interno.

Quello che manca, purtroppo, è il passaggio chiave di una firma identificabile in modo univoco che potrebbe dirci se questo è il caso o meno. Questo è uno dei passaggi più difficili per qualsiasi fisico teorico: determinare l’impronta di una nuova idea sul nostro Universo osservabile, distinguendo quella nuova idea da quelle vecchie, prevalenti. Fino a quando non faremo questo passo con successo, il lavoro probabilmente continuerà su queste idee, ma rimarranno solo ipotesi speculative. Non sappiamo se il nostro Universo sia nato dalla creazione di un buco nero, ma a questo punto è una possibilità allettante che sarebbe sciocco escludere.

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