Forse la scoperta scientifica più sorprendente degli ultimi dieci anni è che l’universo pullula di buchi neri.
Questi buchi sono stati osservati in dimensioni diverse e sorprendenti: alcuni con una massa leggermente superiore a quella del Sole, e altri con una massa miliardi di volte maggiore. Inoltre sono stati osservati in diversi modi: attraverso emissioni radio provenienti dal materiale in caduta verso il foro; E attraverso la sua influenza sulle stelle che gli ruotano attorno; Attraverso le onde gravitazionali emesse durante la loro fusione; E attraverso la stranissima distorsione della luce che provoca (ricordiamo l’anello di Einstein, apparso nelle immagini di Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, che ha abbellito le prime pagine dei giornali internazionali non molto tempo fa).
Lo spazio in cui viviamo non è liscio, ma piuttosto pieno di buchi nel cielo, come un colino. La teoria della relatività generale di Einstein prevedeva e descriveva bene le proprietà fisiche di tutti i buchi neri.
Tutto ciò che sappiamo finora su questi strani oggetti è completamente coerente con la teoria di Einstein. Ma ci sono due domande principali a cui la teoria di Einstein non risponde.
La prima domanda è: dove va a finire la materia quando entra in un buco nero? La seconda domanda è: come finiscono i buchi neri? Argomentazioni teoriche convincenti, comprese per la prima volta da Stephen Hawking diversi decenni fa, suggeriscono che in un lontano futuro, dopo una vita che dipende dalle sue dimensioni, un buco nero si contrarrà (o, come dicono i fisici, “evaporerà”), emettendo radiazione calda. ora noto come radiazione Hawking.
Ciò fa sì che il foro diventi sempre più piccolo, fino a diventare molto piccolo. Ma cosa succede dopo? Il motivo per cui a queste due domande non è stata ancora data risposta, e la teoria di Einstein non fornisce una risposta, è che entrambe coinvolgono aspetti quantistici dello spaziotempo.
Ciò significa che entrambi coinvolgono la gravità quantistica, ma non disponiamo ancora di una teoria solida della gravità quantistica.
Prova a rispondere
Ma c’è speranza, perché abbiamo teorie provvisorie. Queste teorie non sono ancora state dimostrate, perché non sono state ancora supportate da esperimenti o osservazioni.
Ma sono abbastanza avanzati da fornirci risposte provvisorie a queste due importanti domande. Possiamo quindi utilizzare queste teorie per formulare un’ipotesi plausibile su ciò che sta accadendo.
Non definito
Forse la teoria più dettagliata e avanzata dello spaziotempo quantistico è la gravità quantistica a loop, o LQG, una teoria sperimentale della gravità quantistica che si è sviluppata costantemente dalla fine degli anni ’80.
Grazie a questa teoria è apparsa una risposta interessante a queste domande. Questa risposta è dimostrata nello scenario seguente. L’interno del buco nero si evolve fino a raggiungere uno stadio in cui gli effetti quantistici cominciano a dominare.
Ciò crea una forte forza repulsiva che riflette la dinamica dell’interno del buco nero che collassa, facendolo “rimbalzare”. Dopo questa fase quantistica, descritta dalla teoria della gravità quantistica, lo spazio-tempo all’interno del buco obbedisce nuovamente alla teoria di Einstein, tranne per il fatto che il buco nero ora si sta espandendo invece di contrarsi.
La possibilità dell’espansione del buco nero è stata effettivamente prevista dalla teoria di Einstein, nello stesso modo in cui è stata prevista dai buchi neri. Questa è una possibilità nota da decenni; Questa corrispondente regione dello spazio-tempo ha anche un nome: “buco bianco”.
Per saperne di più:
Stessa idea ma al contrario
Il nome riflette l’idea che un buco bianco sia, in un certo senso, l’opposto di un buco nero. Possiamo pensarlo nello stesso modo in cui una palla che rimbalza verso l’alto segue un percorso verso l’alto che è l’opposto del percorso verso il basso che ha intrapreso quando la palla è caduta.
Un buco bianco è una struttura spazio-temporale simile a un buco nero ma con il tempo invertito. Dentro un buco nero le cose cadono; Ma all’interno del buco bianco le cose si muovono verso l’esterno. Niente può uscire da un buco nero; Allo stesso modo, nulla può entrare in un buco bianco.
Guardandolo dall’esterno, quello che succede è che al termine del processo di evaporazione, il buco nero, che ora è piccolo perché ha evaporato gran parte della sua massa, si trasforma in un piccolo buco bianco. LQG sottolinea che tali strutture diventano quasi stabili grazie agli effetti quantistici e possono quindi sopravvivere a lungo.
I buchi bianchi sono talvolta chiamati “resti” perché sono ciò che rimane dopo l’evaporazione di un buco nero. Il passaggio da un buco nero a un buco bianco può essere considerato un “salto quantico”. Questo è simile al concetto di salto quantico del fisico danese Niels Bohr, in cui gli elettroni saltano da un orbitale atomico a un altro quando cambiano la loro energia.
I salti quantici fanno sì che gli atomi emettano fotoni, che sono ciò che provoca l’emissione della luce che ci permette di vedere le cose. Ma la teoria della gravità quantistica prevede la dimensione di questi minuscoli resti. Da qui un risultato fisico distintivo: la quantizzazione della geometria. In particolare, la teoria della gravità quantistica prevede che l’area di qualsiasi superficie possa avere solo determinati valori discreti.
L’area dell’orizzonte residuo del buco bianco deve essere determinata dal valore non nullo più piccolo. Ciò corrisponde a un buco bianco con una massa di una frazione di microgrammo: all’incirca il peso di un capello umano.
Questo scenario risponde alle due domande poste in precedenza. Ciò che accade alla fine del processo di evaporazione è che il buco nero quantistico salta in un buco bianco piccolo e longevo. La materia che cade in un buco nero può poi emergere da questo buco bianco.
La maggior parte dell’energia della materia sarà già stata rilasciata dalla radiazione di Hawking, una radiazione a bassa energia emessa dal buco nero a causa di effetti quantistici che ne fanno evaporare. Ciò che esce dal buco bianco non è l’energia della materia caduta al suo interno, ma piuttosto la restante radiazione a bassa energia, che tuttavia trasporta tutte le restanti informazioni sulla materia caduta al suo interno.
Una possibilità intrigante che questo scenario apre è che la misteriosa materia oscura di cui gli astronomi vedono tracce nel cielo potrebbe effettivamente essersi formata, in tutto o in parte, da minuscoli buchi bianchi generati da antichi buchi neri in evaporazione. Questi buchi potrebbero essersi formati nelle fasi iniziali dell’universo, forse prima del Big Bang, cosa che sembra prevedere anche la teoria della gravità quantistica.
Questa è un’attraente potenziale soluzione al mistero della natura della materia oscura, perché fornisce una comprensione della materia oscura basata esclusivamente sulla relatività generale e sulla meccanica quantistica, due aspetti ben consolidati della natura. Inoltre non aggiunge particelle di campo casuali o nuove equazioni dinamiche, come fanno la maggior parte delle ipotesi sperimentali alternative sulla materia oscura.
Prossimi passi
Quindi, possiamo rilevare i buchi bianchi? Osservare direttamente i buchi bianchi sarà difficile perché questi piccoli oggetti interagiscono con lo spazio e la materia che li circonda quasi esclusivamente attraverso la gravità, che è estremamente debole.
Non è facile individuare un capello sfruttando solo la sua gravità. Ma forse non sarà più impossibile con l’avanzare della tecnologia. Sono già state proposte idee su come farlo utilizzando rilevatori basati sulla tecnologia quantistica.
Se la materia oscura è costituita da resti di buchi bianchi, una semplice stima mostra che alcuni di questi oggetti potrebbero volare ogni giorno attraverso un’area delle dimensioni di una grande stanza. Per ora, dobbiamo studiare questo scenario e come si adatta a ciò che sappiamo dell’universo, in attesa che la tecnologia ci aiuti a rilevare direttamente questi oggetti.
Ma sorprendentemente, questo scenario non è stato preso in considerazione prima. Il motivo può essere ricondotto a un’ipotesi abbracciata da molti teorici con un background nella teoria delle stringhe: una versione forte della cosiddetta ipotesi “olografica”.
Secondo questa ipotesi, l’informazione all’interno di un piccolo buco nero è necessariamente piccola, il che contraddice l’idea di cui sopra. L’ipotesi si basa sull’idea dei buchi neri eterni: tecnicamente, l’idea che l’orizzonte di un buco nero sia necessariamente un orizzonte degli “eventi” (un orizzonte degli “eventi” è per definizione un orizzonte eterno). Se l’orizzonte è eterno, allora ciò che accade all’interno è effettivamente perduto per sempre, e un buco nero è distinto in modo univoco da ciò che può essere visto dall’esterno.
Ma i fenomeni gravitazionali quantistici sconvolgono l’orizzonte quando diventa piccolo, impedendogli di essere eterno. Pertanto, l’orizzonte del buco nero non può essere un orizzonte di “eventi”. L’informazione che contiene può essere grande, anche quando l’orizzonte è piccolo, e può essere recuperata dopo la fase del buco nero, durante la fase del buco bianco.
Curiosamente, quando i buchi neri venivano studiati teoricamente e le loro proprietà quantistiche venivano ignorate, l’orizzonte eterno veniva visto come la loro proprietà determinante. Ora che comprendiamo i buchi neri come oggetti reali nel cielo e studiamo le loro proprietà quantistiche, ci rendiamo conto che l’idea che i loro orizzonti dovessero essere eterni era solo un ideale.
La realtà è più sfumata. Forse nulla è eterno, nemmeno l’orizzonte di un buco nero.
Per saperne di più:
