I buchi neri non sono tutti uguali

 Un nuovo studio di SISSA, IFPU, INFN Trieste e Università di Nottingham, appena pubblicato su Physical Review Letters, mostra che i buchi neri possono sviluppare nuove caratteristiche quando ruotano a una certa velocità 

7 dicembre 2020 È opinione comune tra i fisici considerare i buchi neri come caratterizzati da due sole quantità, la massa e il momento angolare. Nonostante ciò, da diversi anni si indaga sulla possibilità che questi misteriosi oggetti celesti possano avere strutture aggiuntive – chiamate in gergo “capelli” - che rivelerebbero l’esistenza di nuovi campi fondamentali. “Nel nostro lavoro abbiamo considerato delle estensioni della Teoria della Relatività Generale di Einstein che forniscono previsioni interessanti per l’osservazione e lo studio di regimi estremi, come i dintorni dei buchi neri o le stelle di neutroni”, afferma Alexandru Dima, astrofisico della SISSA – Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati e dell’INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste, primo autore del paper Spin-induced black hole spontaneous scalarization (Scalarizzazione spontanea di un buco nero indotta da spin), recentemente pubblicato su Physical Review Letters. “Studi precedenti hanno già permesso di giustificare la presenza di buchi neri “con capelli”. Con questa ricerca abbiamo dimostrato per la prima volta, grazie a simulazioni numeriche, che questi oggetti possono far crescere spontaneamente la forma più semplice di quello che chiamiamo in gergo capelli ma che tecnicamente definiamo un campo scalare, quando iniziano a girare abbastanza velocemente.” 

Estensioni della Relatività Generale Insieme a Enrico Barausse (SISSA e IFPU – Istituto di Fisica Fondamentale dell’Universo), Nicola Franchini (SISSA and IFPU) and Thomas P. Sotiriou (Università di Nottingham, UK), Dima ha descritto anche il modo in cui la rotazione controlla il meccanismo di crescita dei capelli. Nella teoria della gravità di Einstein e in molte delle sue estensioni, i teoremi matematici dimostrano che i buchi neri non possano sostenere i capelli e che li perdano emettendo onde gravitazionali. Tuttavia, nelle teorie considerate da Dima et al., una volta che il buco nero inizia a ruotare più velocemente di una certa soglia, costringe i capelli a crescere e questo gli conferisce caratteristiche nuove. Studiare le possibili estensioni della Relatività Generale è uno dei modi in cui la fisica cerca di risolvere alcuni dei suoi grandi dilemmi: coniugare la teoria della Gravità con la fisica quantistica e fornire potenziali spiegazioni agli enigmi che ancora avvolgono la fisica gravitazionale, quali la materia oscura o l’energia oscura. Il professor Thomas Sotiriou, che ha guidato la ricerca presso l’Università di Nottingham con il supporto del dottorando Nicola Franchini, post-dottorando di SISSA e IFPU, afferma: “I nostri risultati dimostrano che la nuova fisica può essere abbastanza sfuggente e comparire solo quando si osserva il giusto tipo di buchi neri”.

 Indizi per il futuro I risultati della ricerca offrono quindi strumenti molto utili per i prossimi esperimenti. “In particolare” continua Dima, “il nostro risultato suggerisce che, a seconda della velocità di rotazione degli oggetti coinvolti, le onde gravitazionali prodotte in conseguenza della fusione di sistemi binari di buchi neri potrebbero essere diverse rispetto a quanto previsto in precedenza. Nel prossimo futuro, l’osservazione di un tale effetto o della sua mancanza in esperimenti sulle onde gravitazionali permetterebbe di falsificare un’ampia classe di teorie alternative sulla gravità, o magari di ottenere indizi rivelatori di una nuova fisica che vada oltre la Relatività Generale”.