Un team di ricercatori, costituito da Dimitrios Psaltis, Feryal Ozel e Pierre Christian (University of Arizona), Lia Medeiros (Institute for Advanced Study), in sinergia con la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT), prendendo spunto dall’analisi dell’ombra dei buchi neri, ha condotto uno studio per testare in maniera univoca la relatività generale, approfondire le conoscenze sulle inusuali proprietà dei buchi neri e scartare tutta una serie di alternative.
L’intensa gravità di un buco nero genera la curvatura dello spazio-tempo, facendo sì che l’ombra del buco nero stesso appaia più ampia. Misurando questa distorsione visiva, il gruppo di ricerca ha scoperto che la dimensione dell’ombra di un buco nero rafforza le previsioni della relatività generale. Implementare un test di gravità ai margini di un buco nero supermassiccio rappresenta una novità assoluta per la fisica e offre nuove dimostrazioni che la teoria di Einstein rimane indissolubile anche sotto le condizioni più estreme.
Lia Medeiros afferma che, l’aver dimostrato di poter utilizzare un’immagine di un buco nero per testare la teoria della gravità è solo il primo passo di un percorso ancora più lungo. Questo test sarà ancora più potente se si immagina che il buco nero si trovi all’interno della nostra galassia e nelle future osservazioni che svilupperà la collaborazione EHT, con i telescopi che verranno aggiunti a quelli già esistenti.
L’ombra di un buco nero è molto diversa dalle ombre con cui solitamente abbiamo a che fare. Mentre un oggetto produce un’ombra impedendo alla luce di attraversarlo, un buco nero può creare l’effetto di un’ombra convogliando la luce verso sé stesso.
Se da una parte la luce non può uscire dall’interno di un buco nero, è invece possibile – sebbene poco probabile – che la luce fuoriesca dalla regione che circonda l’orizzonte degli eventi, compatibilmente con la sua traiettoria. Si ottiene in questo modo una sorta di oscura terra di nessuno, oltre il punto di non ritorno, che, agli osservatori, appare come un’ombra.
I test gravitazionali sono stati condotti in molteplici configurazioni cosmiche. Durante l’eclissi del 1919, fu osservata la prima evidenza della relatività generale, sulla base dello spostamento della luce solare, che viaggiava lungo la curvatura dello spazio-tempo, causata dalla gravità del Sole.
Più di recente, sono stati condotti diversi test per verificare la gravità al di fuori del sistema solare e su scala cosmologica. Esempi di questi test sono quelli relativi alla rilevazione delle onde gravitazionali attraverso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Le onde gravitazionali si propagano attraverso il tessuto dello spazio-tempo come increspature su uno stagno, data la natura dinamica dello spazio-tempo, come previsto dalla relatività generale.
Il nuovo articolo redatto dalla EHT si focalizza su una serie di parametri che finora non erano stati considerati nell’ambito della ricerca sui buchi neri. Oltre a fornire un nuovo test per tutte le formulazioni alternative della gravità, esso collega anche i limiti delle immagini sui buchi neri con quelli di altri esperimenti gravitazionali.
Il buco nero supermassiccio, localizzato al centro della galassia M87 e studiato dalla collaborazione EHT, ha una massa di 6,5 miliardi di volte quella del Sole. Al contrario, i rilevatori di onde gravitazionali monitorano i buchi neri, la cui massa stellare va da cinque a qualche dozzina di masse solari. Queste diverse prospettive sono essenziali per avere una comprensione più dettagliata su ciò che sta alla base della natura dei buchi neri.
La forma quasi circolare dell’ombra del buco nero, come osservato, potrebbe mettere alla prova il teorema della teoria generale, detto teorema dell’essenzialità, secondo cui un buco nero è completamente descritto dalla sua massa, dal suo spin e dalla sua carica elettrica.
In altre parole, due buchi neri che possiedono la stessa massa, lo stesso spin e la stessa carica elettrica, possono essere considerati indistinguibili – alla stregua della natura identica delle particelle subatomiche simili. Se si individuassero delle irregolarità di natura geometrica, allora ci sarebbe la potenziale indicazione dell’esistenza di proprietà dei buchi neri che si vanno ad aggiungere alla massa, allo spin e alla carica elettrica.
In uno studio separato, “Aparametric Model for the Shapes of Black Hole Shadows in Non-Kerr Spacetimes”, pubblicato in The Astrophysical Journal, Medeiros, Psaltis e Ozel esplorano la dimensione e la forma dell’ombra di un buco nero attraverso la modellazione di molti tessuti spazio-temporali e molte teorie della gravità. L’ombra di un buco nero dipende solo dalla geometria dello spazio-tempo circostante, e non dall’astrofisica del processo di accrescimento.
Il lavoro continuo della collaborazione EHT, e dei suoi componenti, continuerà per fare luce sia sulla parte nascosta, che su quella visibile, dei buchi neri.
Referimento:
“Gravitational Test beyond the First Post-Newtonian Order with the Shadow of the M87 Black Hole” by Dimitrios Psaltis et al. (EHT Collaboration), 1 October 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.141104
“A Parametric Model for the Shapes of Black Hole Shadows in Non-Kerr Spacetimes” by Lia Medeiros, Dimitrios Psaltis and Feryal Özel, 8 June 2020, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ab8bd1
