I buchi neri mancanti sarebbero insoliti. Previsti come risultato della teoria generale della relatività di Einstein, contengono una regione esterna conosciuta come orizzonte degli eventi, dalla quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Oltre a ciò, si prevede che abbiano un punto infinitamente denso in cui la nostra comprensione della fisica viene meno e nulla ha più senso.
Cosa sappiamo dei buchi neri?
Questo prima ancora di entrare nel paradosso dell’informazione del buco nero . Se un buco nero ha massa (e ne ha molta), allora dovrebbe avere una temperatura secondo la prima legge della termodinamica e, in linea con la seconda legge della termodinamica, dovrebbe irradiare calore. Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri dovrebbero emettere radiazione – ora chiamata radiazione di Hawking – formata al confine di un buco nero.
“Hawking ha poi sottolineato un paradosso: se un buco nero può evaporare, una parte delle informazioni in esso contenute andrà perduta per sempre”, spiega l’astrofisico francese Jean-Pierre Luminet in un articolo del 2016 .
“L’informazione contenuta nella radiazione termica emessa da un buco nero è degradata; non riassume l’informazione sulla materia precedentemente inghiottita dal buco nero. La perdita irreparabile di informazione è in conflitto con uno dei postulati fondamentali della meccanica quantistica. Secondo l’equazione di Schrödinger , i sistemi fisici che cambiano nel tempo non possono creare o distruggere informazioni, una proprietà nota come unitarietà.”
Insomma, probabilmente ci sfugge qualcosa. Fisici e matematici hanno tentato di elaborare idee che eliminassero questi problemi e hanno ottenuto risultati piuttosto strani. Alcuni hanno addirittura suggerito che l’ universo potrebbe essere olografico , e che l’universo che conosciamo e amiamo sia in realtà il risultato di interazioni al confine infinitamente distante. Ti abbiamo detto che i buchi neri sono strani.
Eppure, abbiamo sicuramente osservato oggetti che sembrano avere le proprietà dei buchi neri, inclusa (ma lungi dall’essere limitata a) l’ immagine del buco nero M87* . Ma cosa succede se i buchi neri non esistessero affatto?
Un’idea è che i buchi neri siano in realtà “gravastars”, una combinazione di gravità, vuoto e stelle. Proposta per la prima volta nel 2002 da Pawel O. Mazur e Emil Mottola, l’idea è che ad un certo punto durante il collasso di una grande stella l’intensa gravità trasformi la sua materia in un nuovo stato simile al condensato di Bose-Einstein (BEC).
Il BEC si verifica quando gli atomi vengono raffreddati a stati energetici così bassi che iniziano a comportarsi come un singolo ” super atomo “. Nelle gravastars, il team ha suggerito che quando la stella collassa fino al punto dell’orizzonte degli eventi, la sua materia si trasforma in un nuovo stato, che esercita una pressione verso l’esterno e impedisce alla stella di collassare in una singolarità che sfida la fisica.
Nelle gravastars, questo spaziotempo fortemente deformato (ma familiare) è circondato da un guscio ultrasottile, ultrafreddo, ultra-scuro e praticamente indistruttibile.
Poiché questa nuova forma di materia è molto resistente, ma in qualche modo flessibile, come una bolla, qualsiasi cosa rimanesse intrappolata dalla sua intensa gravità e si schiantasse contro di essa verrebbe cancellata e poi assimilata nel guscio del Gravastar”, ha detto Mottola in una nota . dopo il primo articolo su gravastars.
Uno dei principali vantaggi di gravastars è l’eliminazione degli orizzonti degli eventi e delle singolarità disordinati. Ma sebbene interessanti come idea, devono anche spiegare ciò che osserviamo, e sicuramente abbiamo osservato oggetti che assomigliano a buchi neri .
“Quest’ombra non è causata dall’intrappolamento della luce nell’orizzonte degli eventi, ma da un fenomeno leggermente diverso chiamato ‘redshift gravitazionale’, che fa sì che la luce perda energia quando si muove attraverso una regione con un forte campo gravitazionale”, João Luís Rosa , professore di fisica all’Università di Danzica in Polonia e autore di un nuovo studio sulle gravastars.
“In effetti, quando la luce emessa dalle regioni vicine a questi oggetti alternativi raggiunge i nostri telescopi, la maggior parte della sua energia andrebbe persa nel campo gravitazionale, provocando la comparsa di quest’ombra.”
Come con i buchi neri, le cose si complicano quando si aggiunge la rotazione , e ci sono suggerimenti ( contestate ) secondo cui le gravastar non sarebbero stabili mentre ruotano. E sono anche un po’ strani (ehi, stiamo parlando dell’universo di questo). Si ipotizza che l’interno delle gravastar possa contenere una serie di gusci più spessi, noti come nestar .
Non sono perfetti e c’è molto lavoro da fare per modellare il loro funzionamento. È anche possibile che esistano sia i buchi neri che le gravastar. Un grosso problema è che è difficile distinguere tra i due, anche se alcuni modelli suggeriscono che dovrebbero emettere radiazioni gravitazionali molto diverse , permettendoci di sapere se stiamo guardando gravastar o tradizionali buchi neri, e tutti i grattacapi che comportano.
Lo studio di Rosa e colleghi è stato pubblicato su Physical Review D.
Cosa sono i buchi neri?
I buchi neri sono alcuni degli oggetti più strani e affascinanti dello spazio. Sono estremamente densi, con un’attrazione gravitazionale così forte che nemmeno la luce può sfuggire alla loro presa.
La Via Lattea potrebbe contenere oltre 100 milioni di buchi neri, anche se individuare queste bestie golose è molto difficile. Nel cuore della Via Lattea si trova un buco nero supermassiccio: Sagittarius A* . Secondo una dichiarazione della NASA , la struttura colossale è circa 4 milioni di volte la massa del Sole e si trova a circa 26.000 anni luce dalla Terra .
La prima immagine di un buco nero è stata catturata nel 2019 dalla collaborazione Event Horizon Telescope (EHT). La sorprendente foto del buco nero al centro della galassia M87, a 55 milioni di anni luce dalla Terra, ha entusiasmato gli scienziati di tutto il mondo.
Si prevede che i buchi neri si formino attraverso due canali distinti. Secondo il primo percorso, sono cadaveri stellari, quindi si formano quando muoiono stelle massicce. Le stelle la cui massa alla nascita è superiore a circa 8-10 volte la massa del nostro Sole, quando esauriscono tutto il loro carburante – l’idrogeno – esplodono e muoiono lasciando dietro di sé un oggetto denso molto compatto, un buco nero. Il buco nero risultante che viene lasciato indietro viene definito buco nero di massa stellare e la sua massa è dell’ordine di alcune volte la massa del sole.
Non tutte le stelle lasciano buchi neri, le stelle con masse minori alla nascita lasciano dietro di sé una stella di neutroni o una nana bianca. Un altro modo in cui si formano i buchi neri è il collasso diretto del gas, un processo che dovrebbe dare origine a buchi neri più massicci, con una massa che va da 1.000 volte la massa del Sole fino a 100.000 volte la massa del Sole. Questo canale elude la formazione della stella tradizionale e si ritiene che operi nell’universo primordiale e produca semi di buchi neri più massicci.
I buchi neri furono previsti come una soluzione matematica esatta alle equazioni di Einstein. Le equazioni di Einstein descrivono la forma dello spazio attorno alla materia. La teoria della relatività generale collega la geometria o forma della forma alla distribuzione dettagliata della materia.
La soluzione del buco nero fu trovata da Karl Schwarzschild nel 1915, e si scoprì che queste regioni – i buchi neri – distorcono estremamente lo spazio e generano una foratura nel tessuto dello spaziotempo. All’epoca non era chiaro se questi corrispondessero a oggetti reali nell’universo. Nel corso del tempo, quando furono rilevati altri prodotti finali della morte stellare, vale a dire le stelle di neutroni viste come pulsar, divenne chiaro che i buchi neri erano reali e avrebbero dovuto esistere. Il primo buco nero rilevato è stato Cygnus-X1.
I buchi neri non muoiono di per sé, ma teoricamente si prevede che alla fine evaporeranno lentamente su scale temporali estremamente lunghe.
I buchi neri crescono grazie all’accumulo di materia nelle vicinanze, attirata dalla loro immensa gravità. Hawking predisse che i buchi neri potevano anche irradiare energia e restringersi molto lentamente. La teoria quantistica suggerisce che esistano particelle virtuali che entrano ed escono continuamente dall’esistenza.
Quando ciò accade, appaiono una particella e la sua antiparticella compagna. Tuttavia, possono anche ricombinarsi e scomparire nuovamente. Quando questo processo avviene vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero, possono accadere cose strane. Invece di far esistere per un attimo la coppia particella-antiparticella e poi annientarsi a vicenda, una di loro può cadere per gravità e cadere nel buco nero, mentre l’altra particella può volare via nello spazio.
Su scale temporali molto lunghe, stiamo parlando di scale temporali molto più lunghe dell’età del nostro universo, la teoria afferma che questo rivolo di particelle in fuga farà evaporare lentamente il buco nero.
Nessun buco nero non è un wormhole. I wormhole possono essere pensati come tunnel che collegano due punti separati nello spazio e nel tempo. Si ritiene che l’interno dei buchi neri possa contenere un wormhole, la perforazione dello spaziotempo, che potrebbe offrire un portale verso un altro punto dello spaziotempo potenzialmente anche in un universo diverso.
Secondo lo Space Telescope Science Institute (STScI) circa una stella su mille è abbastanza massiccia da diventare un buco nero. Poiché la Via Lattea contiene oltre 100 miliardi di statistiche, la nostra galassia deve ospitare circa 100 milioni di buchi neri.
Anche se rilevare i buchi neri è un compito difficile e le stime della NASA suggeriscono che potrebbero esserci da 10 milioni a un miliardo di buchi neri stellari nella Via Lattea.
Il buco nero più vicino alla Terra è soprannominato “ L’Unicorno ” e si trova a circa 1.500 anni luce di distanza. Il soprannome ha un doppio significato. Non solo il candidato buco nero risiede nella costellazione dell’Unicorno (“l’unicorno”), ma la sua massa incredibilmente bassa – circa tre volte quella del sole – lo rende quasi unico nel suo genere.
I buchi neri hanno tre “strati”: l’orizzonte degli eventi esterno ed interno e la singolarità.
L’ orizzonte degli eventi di un buco nero è il confine attorno alla bocca del buco nero, oltre il quale la luce non può fuoriuscire. Una volta che una particella attraversa l’orizzonte degli eventi, non può andarsene. La gravità è costante attraverso l’orizzonte degli eventi.
La regione interna di un buco nero, dove si trova la massa dell’oggetto, è conosciuta come la sua singolarità , l’unico punto nello spazio-tempo in cui è concentrata la massa del buco nero.
Gli scienziati non possono vedere i buchi neri nello stesso modo in cui vedono le stelle e altri oggetti nello spazio. Invece, gli astronomi devono fare affidamento sul rilevamento della radiazione emessa dai buchi neri quando polvere e gas vengono attirati nelle dense creature. Ma i buchi neri supermassicci , che si trovano al centro di una galassia, potrebbero essere avvolti dalla spessa polvere e dal gas che li circonda, che può bloccare le emissioni rivelatrici.
