Una delle più famose leggi sui buchi neri, la legge dell’area prevista dal fisico Stephen Hawking, è stata confermata da ricerche sulle onde gravitazionali. Nonostante la loro natura misteriosa, si pensa che i buchi neri seguano alcune semplici regole, secondo il teorema dell’area del buco nero, sviluppato da Hawking nei primi anni ’70, i buchi neri non possono diminuire di superficie nel tempo.
La legge dell’area affascina i fisici perché rispecchia una ben nota regola della fisica secondo cui il disordine, o l’entropia, non può diminuire nel tempo. Invece, l’entropia aumenta costantemente. Questo è “un suggerimento entusiasmante che le aree dei buchi neri sono qualcosa di fondamentale e importante“, afferma l’astrofisico Will Farr della Stony Brook University di New York e del Flatiron Institute di New York City.
La superficie di un buco nero solitario non cambierà: dopotutto, nulla può sfuggire dall’interno. Tuttavia, se getti qualcosa in un buco nero, guadagnerà più massa, aumentando la sua superficie. Ma l’oggetto in arrivo potrebbe anche far girare il buco nero, il che riduce la superficie. La legge dell’area di Stephen Hawking dice che l’aumento dell’area superficiale dovuto alla massa aggiuntiva supererà sempre la diminuzione dell’area superficiale dovuta all’aggiunta di spin.
Legge dell’area di Stephen Hawking: lo Studio
Per testare questa legge dell’area, l’astrofisico del MIT Maximiliano Isi, Farr e altri hanno usato le increspature nello spaziotempo suscitate da due buchi neri che si sono sviluppati a spirale verso l’interno e si sono fusi in un buco nero più grande. La superficie di un buco nero è definita dal suo orizzonte degli eventi, il confine entro il quale è impossibile fuggire.
Secondo la legge dell’area, l’area dell’orizzonte degli eventi del buco nero appena formato dovrebbe essere grande almeno quanto le aree degli orizzonti degli eventi dei due buchi neri originali combinati. Il team ha analizzato i dati delle prime onde gravitazionali mai individuate, che sono state rilevate dall’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO, nel 2015.
I ricercatori hanno diviso i dati dell’onda gravitazionale in due segmenti temporali, prima e dopo la fusione, e hanno calcolato le aree superficiali dei buchi neri in ciascun periodo. L’area superficiale del buco nero appena formato era maggiore di quella dei due buchi neri iniziali combinati, confermando la legge dell’area con un livello di confidenza del 95%, riporta il team in un articolo apparso su Physical Review Letters.
“È la prima volta che possiamo assegnargli una percentuale“, dice Isi. La legge dell’area di Stephen Hawking è il risultato della teoria della relatività generale, che descrive la fisica dei buchi neri e delle onde gravitazionali. Precedenti analisi delle onde gravitazionali hanno concordato con le previsioni della relatività generale e quindi hanno già suggerito che la legge dell’area non può essere totalmente sbagliata.
Ma il nuovo studio “è una conferma più esplicita” della legge di area, afferma la fisica Cecilia Chirenti dell’Università del Maryland a College Park, che non era coinvolta nella ricerca. Finora, la relatività generale descrive bene i buchi neri. Ma gli scienziati non comprendono appieno cosa succede dove la relatività generale, che si applica tipicamente a oggetti di grandi dimensioni come i buchi neri, incontra la meccanica quantistica, che descrive piccole cose come atomi e particelle subatomiche.
In quel regno quantico, possono accadere cose strane. Ad esempio, i buchi neri possono rilasciare una debole nebbia di particelle chiamata radiazione di Hawking, un’altra idea sviluppata da Stephen Hawking negli anni ’70. Questo effetto potrebbe consentire ai buchi neri di ridursi, violando la legge sull’area, ma solo per periodi di tempo estremamente lunghi, quindi non avrebbe influenzato la fusione relativamente rapida dei buchi neri che LIGO ha visto.
I fisici sono alla ricerca di una teoria migliorata che unisca le due discipline in una nuova teoria migliorata della gravità quantistica. Qualsiasi fallimento dei buchi neri nel rispettare le regole della relatività generale potrebbe indirizzare i fisici nella giusta direzione per trovare quella nuova teoria. Quindi i fisici tendono ad essere scontrosi riguardo al duraturo successo della relatività generale, dice Farr. “Siamo tipo, ah era di nuovo giusto.“
