Nel febbraio di quest'anno, gli astronomi hanno fatto una scoperta monumentale. Quasi cento anni dopo la loro previsione di Albert Einstein, gli scienziati hanno finalmente scoperto le onde gravitazionali - "increspature nello spazio-tempo", illuminate dalla radiazione di due buchi neri che si fondono. Questa osservazione è stata una conferma molto chiara della teoria della relatività generale di Einstein, ma allo stesso tempo questo evento è stata una prova audace che le leggi di questa teoria cessano di funzionare non appena raggiungono l'orizzonte degli eventi dei buchi neri.
Dal febbraio di quest'anno, il Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) ha osservato le onde gravitazionali per un totale di tre volte. I ricercatori hanno finalmente esaminato da vicino i risultati e ora affermano di aver trovato prove dei cosiddetti "echi" all'interno di onde che sfidano le previsioni di Einstein sui buchi neri.
Queste dichiarazioni sono attualmente pubblicate nella libreria scientifica online ArXiv.org, dove possono essere analizzate da altri membri della comunità dei fisici prima di essere presentate alla revisione tra pari. Pertanto, esiste una probabilità molto reale che nuovi fatti vengano trovati nel quadro di uno sguardo esterno ai dati sulle osservazioni di questi echi. Inoltre, le prove presentate sono state fornite con una precisione di 5 Sigma, che è il gold standard nel mondo della fisica. Ciò significa che in 3,5 milioni c'è una possibilità che le osservazioni siano pura coincidenza.
Tuttavia, se altri studi dimostrano che questa "eco" è effettivamente presente, allora per la fisica sarà un evento enorme. In precedenza, è stato suggerito che le leggi della relatività generale vengono ridotte in mille pezzi quando ci si avvicina al centro dei buchi neri, ma questa scoperta mostrerà che le leggi smettono di funzionare anche ai confini di questi fenomeni spazio-temporali. Se è così, allora potrebbe dare inizio alla nascita delle leggi di una fisica completamente nuova.
"La scoperta di LIGO e di altre organizzazioni in prospettiva offre un'incredibile opportunità per esplorare nuove leggi fisiche", afferma Steve Giddings, un ricercatore di buchi neri presso l'Università della California, Santa Barbara, che non è stato coinvolto nello studio descritto oggi.
Se gli echi risultano essere fittizi, la relatività generale dovrà solo superare un altro test. Per decenni, i fisici hanno cercato di modificare i buchi neri in questa teoria, cercando di trovare modi per integrarla con la meccanica quantistica, ma la teoria di Einstein ha funzionato bene fino ad ora.
Ma prima di continuare con la discussione, capiamo cosa sono questi echi e come si relazionano alla relatività generale.
Tutto si riduce al cosiddetto paradosso dell'informazione dei buchi neri. Secondo la teoria di Einstein, tutto ciò che attraversa l'orizzonte degli eventi dei buchi neri dovrebbe scomparire, senza lasciare nulla dietro. In senso tradizionale, questo significa che niente, nemmeno la luce, è in grado di uscire da un buco nero (da qui, a proposito, il nome di questo oggetto).
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Di recente, gli scienziati sono rimasti molto perplessi nel testare questa teoria. Infatti, secondo le leggi della meccanica quantistica, la materia assorbita da un buco nero può effettivamente lasciare una scia sotto forma di informazione. Allora come si può descrivere simultaneamente l'orizzonte degli eventi sia dal punto di vista della relatività generale (tutto viene distrutto dopo aver attraversato i suoi confini), sia dal punto di vista della meccanica quantistica (dall'oggetto rimangono le sue informazioni)?
Questa domanda è una delle più difficili nella fisica moderna e gli scienziati non riescono ancora a trovare una risposta.
Una spiegazione suggerita è l'ipotesi del firewall del 2012, che suggerisce che ci sono anelli di particelle altamente cariche intorno all'orizzonte degli eventi, che inceneriscono qualsiasi materia che li attraversa.
Il fisico Stephen Hawking ha un'ipotesi diversa. Crede che i buchi neri possano essere circondati da "capelli" morbidi (i capelli sono, ovviamente, usati qui come metafora). Questi "peli" rappresentano disturbi quantistici a bassa carica e conservano le firme (informazioni, se volete) di tutto ciò che una volta è caduto in un buco nero.
Indipendentemente dall'ipotesi a cui sei più propenso, il loro messaggio principale è lo stesso: invece dell'orizzonte degli eventi pulito previsto dalla relatività generale, i confini dei buchi neri possono essere molto più complessi e sfocati di quanto immaginassimo. E il problema principale qui era che non abbiamo avuto l'opportunità di verificare in qualche modo questi presupposti. Fino a quando LIGO non ha rilevato le onde gravitazionali.
Ora, con i dati a portata di mano, un team internazionale di ricercatori propone un modo per scoprire cosa sta succedendo intorno ai buchi neri. Secondo la nuova ipotesi, se gli orizzonti degli eventi dei buchi neri non si prestano realmente alle leggi della relatività generale, allora gli echi dovrebbero rimanere dopo le onde gravitazionali iniziali.
Secondo i ricercatori sarà possibile individuarli grazie ai “peli” che circondano il buco nero, che sono in uno stato di eccitazione e si comportano in questo momento come specchi. Catturano alcune delle onde gravitazionali che sfuggono al buco nero, le avvolgono, trasmettendo parte del loro stato di perturbazione e quindi possono essere rilevate da strumenti come LIGO.
Secondo i calcoli degli scienziati, questi echi potrebbero essere rilevati utilizzando LIGO 0,1 e 0,3 secondi dopo il rilascio iniziale dell'onda gravitazionale. E - ecco! Gli scienziati sono diventati testimoni di questo! Inoltre, l'evento è stato osservato non solo nel quadro della prima rilevazione di onde gravitazionali nel febbraio di quest'anno, ma anche nel quadro di tutte e tre le osservazioni di onde gravitazionali di quest'anno.
Ovviamente si dovrebbe comprendere che i tre eventi difficilmente possono essere definiti dati statistici affidabili. Quindi, anche se rimane la possibilità che questi echi fossero una sorta di rumore di fondo (1 su 270 casi, o errore di 2.9 Sigma), ulteriori osservazioni aiuteranno i ricercatori a costruire una base di prove più solida.
"La buona notizia è che la chiarezza e la sensibilità di LIGO saranno notevolmente migliorate presto, quindi abbiamo un'opportunità più solida nei prossimi due anni per confermare o negare queste osservazioni", ha detto il ricercatore capo Niaesh Afshordi.
Anche se gli echi possono essere confermati, non risponderanno alla domanda su quale livello di sfocatura hanno i confini dei buchi neri. Pertanto, la soluzione del paradosso dell'informazione è stata per ora rinviata. Finora una cosa è chiara: una delle scoperte più importanti in fisica quest'anno è diventata ancora più allettante.
NIKOLAY KHIZHNYAK
