Alice nel buco nero delle meraviglie

Riuscire a passare indenni attraverso l’orizzonte degli eventi di un buco nero sembrerebbe possibile per particolari buchi neri molto massicci. Animazione di Andrew Hamilton, basata sulla simulazione effettuata su un super-computer da John Hawley.

Esiste una congettura matematica sui buchi neri, o meglio sulla struttura delle singolarità che si ottengono nel contesto della teoria della relatività generale, chiamata ipotesi di censura cosmica: quello che accade all’interno di un buco nero è nascosto oltre l’orizzonte degli eventi e non può essere visto dal resto dello spazio-tempo. Nella sua versione strong, l’ipotesi afferma che la relatività generale è una teoria deterministica: il nostro passato determina in modo univoco il nostro futuro. Se un fisico sa come ha avuto inizio l’universo, può conoscere il suo futuro, in ogni momento e in ogni suo punto.

Un matematico dell’Università di Berkeley sta mettendo in discussione questa congettura, affermando di aver trovato un tipo di buchi neri in cui questa ipotesi sembrerebbe non valere. Se qualcuno si avventurasse all’interno di uno di questi buchi neri “benigni”, varcando l’orizzonte degli eventi potrebbe sopravvivere ma il suo passato verrebbe cancellato per sempre e pertanto si ritroverebbe ad avere un numero infinito di futuri possibili. Si chiama Peter Hintz, post-doc all’Università di Berkeley, e sostiene che calcoli matematici mostrano che per alcuni tipi di buchi neri presenti in un universo come il nostro, che si sta espandendo a un ritmo accelerato, è possibile sopravvivere al passaggio da un mondo deterministico a uno non deterministico, all’interno del buco nero. Hintz ha tenuto a sottolineare che la scoperta non significa che le equazioni di Einstein della relatività generale, che descrivono perfettamente l’evoluzione del cosmo, siano sbagliate. «Nessun fisico entrerà mai in un buco nero per vedere cosa accade. È una questione matematica e, da questo punto di vista, questa possibilità rende le equazioni di Einstein matematicamente più interessanti», ha detto l’autore. «Tuttavia questo scenario, che si può studiare solo matematicamente, ha implicazioni fisiche, quasi filosofiche, che lo rendono molto interessante».

Hintz e i suoi colleghi hanno pubblicato un articolo che descrive questi insoliti buchi neri il mese scorso, nella rivista Physical Review Letters. Gary Horowitz della UC Santa Barbara, non coinvolto nella ricerca, ha commentato su Physics World che lo studio fornisce, attualmente, la prova migliore a lui conosciuta della violazione dell’ipotesi della censura cosmica.

I colleghi dell’Università di Lisbona in Portogallo, Vitor Cardoso, João Costa e Kyriakos Destounis e all’Università di Utrecht, Aron Jansen, hanno così commentato la conclusione dello studio pubblicato: «Questa conclusione corrisponde a un grave fallimento del determinismo nella relatività generale che non può essere preso alla leggera, soprattutto alla luce dell’importanza che l’espansione accelerata sta avendo nella cosmologia moderna».

L’orbita stabile più vicina al buco nero. Crediti: John Hawley (University della Virginia).

Ma vediamo di capire come e perché il matematico è arrivato a questa conclusione, che sembra essere in grado di far sopravvivere Alice quando segue il bianconiglio in un buco nero speciale.

I buchi neri sono oggetti bizzarri che prendono il nome dal fatto che nulla può sfuggire alla loro gravità, nemmeno la luce. Avventurandosi troppo vicino e attraversando il cosiddetto orizzonte degli eventi, non si riuscirebbe più a sfuggirgli. Nel caso di buchi neri di piccola massa, non è possibile nemmeno sopravvivere ad un incontro ravvicinato: le forze mareali in prossimità dell’orizzonte degli eventi sono sufficienti a spaghettificare qualsiasi cosa, ossia allungarla in forme sempre più lunghe e sottili, finché non si spezzerebbe in parti sempre più piccole. Ma per i buchi neri di grande massa, come gli oggetti super-massicci presenti nei nuclei di galassie come la Via Lattea, che pesano decine di milioni se non miliardi di volte la massa di una stella, sembrerebbe sia possibile attraversare indenni l’orizzonte degli eventi ed entrare nel mondo del buco nero.

Varcato l’orizzonte degli eventi, in prossimità dell’orizzonte di Cauchy, l’universo esterno appare luminoso e la luce vira al blu (blue-shift). Crediti: John Hawley (University della Virginia).

Fisici e matematici si sono interrogati a lungo su come potrebbe essere quel mondo, rivolgendo la loro attenzione alle equazioni di Einstein della relatività generale per prevederlo. Queste equazioni funzionano bene fino a quando l’osservatore non raggiunge il centro del buco nero – la singolarità – dove nei calcoli teorici la curvatura dello spazio-tempo diventa infinita. Tuttavia, ancor prima di raggiungere il centro, l’esploratore di buchi neri potrebbe imbattersi in alcune tappe strane e mortali.

Hintz studia un tipo specifico di buco nero: un buco nero standard non rotante provvisto di una carica elettrica, il quale presenta un altro confine fondamentale, all’interno dell’orizzonte degli eventi, chiamato orizzonte di Cauchy. Sappiamo che una volta superato l’orizzonte degli eventi non c’è modo di tornare indietro, però all’interno dell’orizzonte degli eventi è ancora possibile vedere la luce che proviene dall’universo esterno, finché non si raggiunge l’orizzonte di Cauchy, passato il quale non si potrà più vedere nemmeno tale luce. In corrispondenza dell’orizzonte di Cauchy, il determinismo, che la congettura cosmica forte vorrebbe preservare, crolla. Varcato tale limite, il passato non determina più il futuro. I fisici, incluso Penrose, hanno sempre sostenuto che nessun osservatore potrebbe oltrepassare l’orizzonte di Cauchy perché altrimenti ne sarebbe annientato. Avvicinandosi a questo orizzonte, il tempo rallenta poiché gli orologi scorrono più lentamente quanto è maggiore il campo gravitazionale. Come la luce, le onde gravitazionali e qualsiasi altra cosa che incontra il buco nero e cade inevitabilmente verso l’orizzonte di Cauchy, anche l’osservatore cadrebbe verso l’interno del buco nero, dove potrebbe vedere tutta l’energia inghiottita dal buco nero nella sua vita e ne rimarrebbe folgorato.

Immagine che mostra quello che si vedrebbe all’orizzonte di Cauchy. Crediti: John Hawley (University della Virginia).

Tuttavia Hintz si è reso conto che questo potrebbe non essere vero in un universo in espansione che sta accelerando, come il nostro. Poiché lo spazio-tempo si allunga sempre di più, gran parte dell’universo distante non influenzerà affatto il buco nero, dal momento che quell’energia non può viaggiare più velocemente della velocità della luce. Di fatto, l’energia che può essere inghiottita dal buco nero è solo quella contenuta all’interno dell’orizzonte osservabile: il volume dell’universo che il buco nero può aspettarsi di vedere nel corso della sua esistenza. Per noi, per esempio, l’orizzonte osservabile è più grande dei 13,8 miliardi di anni luce che possiamo vedere nel passato, perché include tutto ciò che vedremo nel nostro futuro. L’espansione accelerata dell’universo ci impedirà di vedere oltre un orizzonte di circa 46,5 miliardi di anni luce. In questo scenario, l’espansione dell’universo contrasta l’amplificazione causata dalla dilatazione del tempo all’interno del buco nero e, in alcune situazioni, la annulla completamente. In questi casi – in cui si parla di buchi neri lisci, non rotanti e con una grande carica elettrica, chiamati buchi neri Reissner-Nordström-de Sitter – un osservatore potrebbe sopravvivere passando attraverso l’orizzonte di Cauchy e entrare in un mondo non deterministico.

«Ci sono alcune soluzioni esatte delle equazioni di Einstein che sono lisce (smooth), ossia prive di ostacoli, senza piegature, senza forze di marea che vanno all’infinito, dove tutto sembra comportarsi benissimo fino all’orizzonte di Cauchy e oltre», sostiene Hintz, facendo notare che il passaggio attraverso questo orizzonte sarebbe doloroso ma breve. «Per quanto riguarda il dopo, non ci sono garanzie; in alcuni casi, come in un buco nero di Reissner-Nordström-de Sitter, si può evitare del tutto la singolarità centrale e vivere per sempre in un universo sconosciuto».

Il matematico ha ammesso che è improbabile che questi buchi neri possano esistere, dal momento che attirerebbero materia caricata in modo opposto finché non diventerebbero neutrali. Tuttavia, queste soluzioni matematiche, ammesse per i buchi neri carichi, possono essere usate anche nel caso di buchi neri rotanti, che sono probabilmente la norma. Hintz sostiene infatti che i buchi neri lisci e rotanti, chiamati buchi neri di Kerr-Newman-de Sitter, si comporterebbero allo stesso modo. «È sconvolgente pensare che Alice riesca a viaggiare dentro un buco nero e, se i parametri del buco nero sono tali da permetterlo, riesca ad attraversare l’orizzonte di Cauchy, sopravvivere e raggiungere una regione dell’universo in cui, pur conoscendo lo stato iniziale della stella che ha generato il buco nero, non sarà in grado di dire cosa sta per accadere», ha detto Hintz. «Il destino non sarebbe più determinato unicamente dalla conoscenza delle condizioni iniziali. Ecco perché questa eventualità è molto fastidiosa».

Hintz ha scoperto questi buchi neri collaborando con Cardoso e i suoi colleghi, che hanno calcolato come un buco nero risuona quando viene colpito da onde gravitazionali e andando a studiare la durata dei toni. Il lavoro di Hintz ha già innescato altri studi, uno dei quali si propone di dimostrare che questi  buchi neri benigni non violano il determinismo. Ma Hintz insiste che un’ipotesi di censura è anche troppa. «La gente si è compiaciuta per 20 anni, dalla metà degli anni ’90, del fatto che l’ipotesi di censura cosmica sia sempre stata verificata. Noi stiamo sfidando questo punto di vista», conclude Hintz.

Per saperne di più:

Guarda su YouTube l’animazione della caduta in un buco nero Reissner-Nordstrom:

Fonte: Alice nel buco nero delle meraviglie

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