Il modello teorico offre una nuova prospettiva sulla formazione e l’evoluzione dei buchi neri

Credito: Husayn et al

I buchi neri sono regioni dello spazio caratterizzate da campi gravitazionali così intensi che nessuna materia o radiazione può fuoriuscire da essi. Sono soluzioni alle equazioni di campo di Einstein, con un punto di densità infinita non fisica al centro.

Basandosi sulla teoria classica della relatività generale, tutta la materia che è andata a formare un buco nero alla fine finisce al suo centro. Questa previsione specifica è nota come “problema della singolarità”.

In una delle sue opere fondamentali, Stephen Hawking ha mostrato che i buchi neri irradiano energia e che scompaiono lentamente. Tuttavia, il suo lavoro suggerisce che la radiazione emessa dai buchi neri non contiene tutte le informazioni sulla materia che si è formata. In astrofisica, questo è indicato come il “problema di perdita di informazioni”.

I ricercatori dell’Università del New Brunswick in Canada hanno recentemente sviluppato un modello teorico che affronterebbe efficacemente sia il problema della singolarità che il problema della perdita di informazioni, facendo anche più luce su come la materia collassa per formare buchi neri. Il modello da loro ideato, introdotto in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisicaoffre una prospettiva alternativa sulla formazione e l’evoluzione dei buchi neri rispetto a quella proposta dalla prospettiva classica.

“La questione del destino di un buco nero e di cosa succede alla materia (o all’informazione) che lo ha formato è un problema aperto da cinquant’anni”, affermano i ricercatori Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz e Edward Wilson-Ewing chi ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org, via e-mail. “È opinione diffusa che una teoria della gravità quantistica sia necessaria per risolvere questo problema. Sappiamo molto su come il collasso della materia formi buchi neri nella relatività generale, ma anche la questione di come si verifica il collasso nella gravità quantistica è un problema aperto”.

L’obiettivo chiave del recente lavoro di Husain e dei suoi colleghi era quello di introdurre un modello che affrontasse con precisione il problema della singolarità e del collasso gravitazionale allo stesso tempo. Per fare ciò, hanno utilizzato un costrutto di gravità quantistica ad anello per incorporare la fondamentale discrezionalità dello spazio nelle equazioni classiche che descrivono il collasso gravitazionale.

“Abbiamo studiato il problema utilizzando polvere semplice che non esercita pressione perché questo è il tipo più semplice di materia; il suo movimento è descritto da un’equazione gestibile che può essere risolta su un laptop”, ha spiegato Husain. “Questa equazione è una versione modificata delle classiche equazioni di Einstein, che incorpora la discrezione fondamentale dello spazio a livello microscopico”.

Il metodo numerico utilizzato dai ricercatori nel loro studio è stato sviluppato da Sergei K. Godunov, un famoso scienziato russo che stava conducendo ricerche teoriche incentrate sui problemi di flusso dei fluidi. In particolare, questo metodo può gestire la formazione di onde d’urto, il fenomeno fisico che si verifica quando un oggetto si muove a velocità supersoniche e spinge sull’aria circostante (ad esempio, quando un getto rompe la barriera del suono).

“Abbiamo seguito l’evoluzione di una nuvola di particelle di polvere in collasso fino a formare un buco nero”, hanno detto Husain, Kelly, Santacruz e Wilson-Ewing. “Il metodo numerico ci ha permesso di seguire l’evoluzione della materia anche all’interno della regione del buco nero verso il punto in cui la singolarità sarebbe nella soluzione classica”.

L’equazione quantistica corretta per gravità introdotta da Husain e dai suoi colleghi risolve il problema della singolarità in modo più dinamico rispetto ai modelli classici. Più specificamente, suggerisce che la materia cada al centro del buco nero, raggiunga una densità ampia ma finita e poi rimbalzi indietro, formando un’onda d’urto.

“Gli effetti della gravità quantistica sono importanti sull’onda d’urto e le consentono di spostarsi verso l’esterno all’interno del buco nero, cosa che non è possibile quando si utilizzano le equazioni classiche”, hanno affermato i ricercatori. “Allo stesso tempo, la curvatura dello spaziotempo diventa grande, ma non diverge mai (come nella teoria classica).”

Utilizzando lo strumento numerico introdotto da Godunov, i ricercatori sono stati anche in grado di calcolare la vita di un buco nero, dalla sua formazione alla sua scomparsa, quando un’onda d’urto emerge dal suo orizzonte e gli orizzonti iniziano a scomparire. È interessante notare che la durata del buco nero che hanno calcolato è molto più breve del tempo di evaporazione previsto da Hawking. Ciò suggerisce che il loro modello potrebbe aiutare a risolvere il problema della perdita di informazioni, ma saranno necessari ulteriori studi per confermarlo.

Inoltre, l’equazione delineata da Husain e dai suoi colleghi introduce la produzione di onde d’urto nello sviluppo dei buchi neri. In futuro, potrebbe quindi indurre gli astronomi a valutare la possibilità di rilevare le onde d’urto emanate dai buchi neri.

“Se questo risulta possibile, i nostri risultati potrebbero fornire una spiegazione pronta, ma anche questo richiede un’ulteriore attenta esplorazione”, hanno aggiunto i ricercatori. “Nei nostri prossimi studi, vorremmo provare a stabilire se il problema della perdita di informazioni è effettivamente risolto, a studiare altri tipi di materia che esercitano pressione e altri tipi di nubi di materia, per vedere se il risultato della nostra onda d’urto rimane qualitativamente invariato. Se questo dovesse essere il caso, le onde d’urto potrebbero essere una firma universale che segna la morte di un buco nero”.


Gli scienziati potrebbero aver risolto il paradosso del buco nero di Stephen Hawking


Maggiori informazioni:
Viqar Husain et al, Quantum Gravity of Dust Collapse: Shock Waves from Black Holes, Lettere di revisione fisica (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.121301

© 2022 Rete Scienza X

Citazione: Il modello teorico offre una nuova prospettiva sulla formazione e l’evoluzione dei buchi neri (2022, 22 aprile) recuperato il 22 aprile 2022 da https://phys.org/news/2022-04-theoretical-perspective-black-hole-formation.html

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