Nel nostro studio pubblicato il 21 ottobre 2024 sulla rivista Physical Review Letters, prevediamo l’esistenza di un nuovo tipo di buchi neri circondati da anelli simili nella forma a quelli di Saturno, ma costituiti da particelle elementari.
La teoria della relatività generale di Einstein prevedeva l’esistenza dei buchi neri: regioni dello spazio-tempo in cui la gravità è così intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. La loro ipotetica esistenza fu formulata nel 1916 quando furono ottenute soluzioni alle equazioni matematiche della relatività generale che descrivono i buchi neri.
Tuttavia, la loro effettiva esistenza fu successivamente dibattuta dagli scienziati per quasi un secolo. Nel 1965, il lavoro teorico del matematico britannico Roger Penrose dimostrò che i buchi neri si formano inevitabilmente dal collasso gravitazionale delle stelle e solo negli anni ’90 le osservazioni astronomiche, effettuate da due astrofisici americani Reinhard Genzel e Andrea Ghez, rivelano cosa sembra essere un gigantesco buco nero al centro della nostra galassia. Questa scoperta varrà a loro, così come a Roger Penrose, il Premio Nobel per la fisica nel 2020.
Oggi, grazie alle osservazioni della collaborazione internazionale Event Horizon Telescope, siamo in grado di discernere l’ombra del buco nero situato al centro della Via Lattea.
L’esistenza dei buchi neri nell’Universo è quindi ormai accertata, ma le scoperte non si fermano qui. Oggi prevediamo l’esistenza di buchi neri di un nuovo tipo, suggerito dal Modello Standard delle forze fondamentali.
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L’origine dei buchi neri nell’universo
È ormai comunemente accettato che i buchi neri siano onnipresenti nel nostro Universo. Generalmente distinguiamo due scenari che spiegano la loro formazione.
Innanzitutto ci sono i buchi neri stellari, formati dal collasso gravitazionale di stelle comuni alla fine della loro vita, cioè quando finiscono per collassare sotto il loro stesso peso dopo aver consumato tutto il loro combustibile. La loro massa varia tipicamente da 2-3 masse solari a decine – o addirittura centinaia – di masse solari. Dopo la loro formazione, questi buchi neri stellari possono crescere assorbendo la materia circostante. Possono anche fondersi tra loro, con una significativa emissione di onde gravitazionali, la cui prima rilevazione è stata riconosciuta dal Premio Nobel per la Fisica nel 2017.
È anche possibile che alcuni buchi neri, detti primordiali, si siano formati dal collasso della materia primaria durante il primo secondo successivo al Big Bang. La massa di questi buchi neri primordiali può essere gigantesca, fino a miliardi di masse solari per i buchi neri supermassicci situati al centro della maggior parte delle galassie. Ma può anche essere piccolo, dell’ordine dei pianeti o degli asteroidi, concentrato in un raggio inferiore a un centimetro! È quindi possibile che l’Universo sia costellato di questi minuscoli buchi neri primordiali, la cui futura individuazione costituisce una grande sfida per l’astrofisica osservativa. Anche i buchi neri primordiali più leggeri avrebbero dovuto evaporare molto rapidamente secondo il processo di Hawking e non sarebbero sopravvissuti fino ai giorni nostri.
I nostri risultati suggeriscono che alcuni dei piccoli buchi neri primordiali che esistono ancora oggi potrebbero avere una nuova proprietà: essere “pelosi”.
I buchi neri “non hanno capelli”
I buchi neri stellari non conservano alcuna memoria della stella che è collassata dando origine alla loro formazione, se non quella della sua massa, della sua carica elettrica (o magnetica) e della sua velocità di rotazione. Tutte le altre caratteristiche del loro stato iniziale (ad esempio, la composizione chimica della stella) vengono completamente perse durante il collasso, e tutti i buchi neri con la stessa massa, la stessa carica e la stessa velocità di rotazione sono assolutamente identici.
Il fisico americano John Wheeler illustrò questa proprietà con una frase divenuta famosa: “ i buchi neri non hanno capelli “, dove per ” capelli » si intende qualsiasi parametro diverso da massa, carico e velocità di rotazione.
Questa proprietà dei buchi neri stellari è confermata dai teoremi di unicità, mentre, per i buchi neri primordiali, è stata postulata come una congettura, parzialmente confermata da una serie di “teoremi della calvizie”.
Eppure… l’inizio dei buchi neri pelosi
Tra le quattro forze fondamentali della natura ce ne sono due, la gravitazione e l’elettromagnetismo, che agiscono su scala macroscopica e spiegano la struttura dei buchi neri stellari che sono “calvi”. Le altre due forze, chiamate debole e forte, agiscono solo su scala microscopica, all’interno degli atomi. Possono queste ultime due forze fondamentali influenzare la struttura dei buchi neri?
Le teorie fisiche che descrivono queste forze sono piuttosto complicate da studiare, ed è per questo motivo che i fisici si sono concentrati inizialmente su modelli teorici semplificati. È grazie a questi modelli semplificati che sono stati scoperti i cosiddetti buchi neri. pelosocircondati cioè da un involucro di materiale ad essi intrinsecamente legato e quindi caratterizzato da ulteriori parametri (oltre alla massa, alla carica, alla velocità di rotazione) che permettono di distinguerli gli uni dagli altri.
Dalla loro prima scoperta nel 1989, i fisici teorici hanno trovato numerosi esempi di buchi neri pelosi, ma sempre nell’ambito di teorie semplificate o, al contrario, estremamente speculative. Questi tre neri esistono sulla carta come soluzioni alle equazioni matematiche, ma non c’è nulla che confermi che esistano realmente nel nostro Universo.
Buchi neri con “capelli elettrodeboli”
Nel nostro studio abbiamo considerato l’unificazione di tre teorie esatte, non semplificate e confermate sperimentalmente, che riuniscono tre delle quattro forze fondamentali: la gravitazione, l’elettromagnetismo e la forza nucleare debole (le ultime due insieme formano la forza elettrodebole).
Le soluzioni che abbiamo ottenuto risolvendo le equazioni di queste teorie combinate descrivono buchi neri carichi magneticamente circondati da un anello a forma di “capello”.
Questi anelli sono composti da particelle elementari (più precisamente bosoni W, Z e Higgs), sotto forma di condensato di Bose-Einstein, uno stato particolare della materia che appare in determinate situazioni. In laboratorio sono stati osservati atomi freddi intrappolati mediante laser (che valsero ai suoi scopritori un premio Nobel nel 2001). Nel nostro caso è l’intenso campo magnetico del buco nero carico che produce il condensato elettrodebole, e poiché quest’ultimo è carico anche magneticamente, viene respinto dal buco nero dalla forza magnetica e quindi non cade al suo interno. Ma non viene nemmeno espulso ulteriormente, perché è attratto verso il buco nero dalla forza gravitazionale. Rimane quindi intrappolato fuori dal buco nero.
I nostri buchi neri ad anello, di nuova tipologia, possono avere dimensioni macroscopiche, intorno al centimetro, mentre le particelle elementari che compongono i loro anelli appaiono normalmente sulla scala dell’infinitamente piccolo.
Poiché questi buchi neri sono descritti da teorie confermate sperimentalmente, ciò suggerisce fortemente che esistano non solo come soluzioni matematiche, ma anche come oggetti reali nell’Universo.
Potremmo rilevare questi buchi neri?
È chiaro che questi buchi neri pelosi non potrebbero formarsi oggi. D’altronde le condizioni favorevoli alla loro formazione potrebbero essersi riscontrate nei primi istanti dell’Universo, nel plasma primordiale estremamente denso e fluttuante. Si tratterebbe quindi di buchi neri primordiali.
È importante notare che questi buchi neri sono stabili, perché la presenza degli anelli riduce la massa del buco nero, quindi liberarsene sarebbe energeticamente sfavorevole. Potrebbero quindi riuscire a sopravvivere fino ad oggi e diventare parte della materia oscura, questa sostanza la cui esatta natura rimane ancora oggi sconosciuta e che può essere rilevata solo grazie alla sua influenza gravitazionale. Questi buchi neri pelosi potrebbero essere rilevati dalla loro interazione con stelle di neutroni rotanti (pulsar), perché se vengono assorbiti da uno di essi (cosa che può accadere perché sono molto più piccoli e leggeri), allora la stella continua ad esistere con il buco nero. all’interno ma questo deve cambiare bruscamente il suo periodo di rotazione, che potrebbe essere rilevabile.
Romain Gervalle, Ricercatore associato in Teorie della Gravitazione, Università di Tours e Mikhail Volkov, Professore di Fisica, Università di Tours
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.
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