Quando le stelle giganti muoiono, non scompaiono. Collassano, lasciando dietro di sé un residuo stellare compresso, solitamente delle dimensioni di una metropoli, che è una sfera superdensa di neutroni chiamata stella di neutroni.
La maggior parte dei teorici ritiene che in casi eccezionali una stella morente gigante formi un buco nero - una "singolarità" puntuale con densità virtualmente infinita e un campo gravitazionale così potente che non c'è nemmeno la luce, la cosa più veloce dell'universo.
Il nuovo studio offre un'idea alternativa che oggetti ipotetici come stelle nere o gravastar potrebbero esistere a metà strada tra stelle di neutroni e buchi neri. Se è così, allora i cadaveri stellari esotici dovrebbero essere quasi identici ai buchi neri, tranne che per una circostanza chiave: non assorbono irrevocabilmente la luce.
Ci sono buone ragioni per cercare tali alternative perché i buchi neri sollevano molti problemi teorici. Ad esempio, le loro singolarità sono presumibilmente nascoste da confini invisibili noti come orizzonti degli eventi. Getta qualcosa in un buco nero e non appena supera l'orizzonte degli eventi, scomparirà per sempre. Ma ci sono leggi della fisica che suggeriscono che le informazioni non possono essere distrutte, comprese le informazioni codificate all'interno di qualsiasi cosa che cade nei buchi neri.
I modelli di stelle nere e gravastar sviluppati negli ultimi due decenni suggeriscono che questi oggetti non avranno singolarità e orizzonti degli eventi. Ma non è ancora chiaro se tali oggetti possano effettivamente formarsi e rimanere stabili.
Una nuova ricerca del fisico teorico Raul Carballo-Rubio della Scuola Internazionale di Ricerca Avanzata in Italia propone un meccanismo che permette l'esistenza di stelle nere e gravastar.
Lo scienziato ha studiato un fenomeno insolito noto come polarizzazione quantistica del vuoto. La fisica quantistica, che fornisce una descrizione migliore di come si comportano tutte le particelle subatomiche conosciute, presume che la realtà sia incerta, limitando la precisione con cui si possono conoscere le proprietà delle unità più elementari della materia - ad esempio, non si può mai conoscere in modo assoluto la posizione e la quantità di moto di una particella nella stessa contemporaneamente. Una strana conseguenza di questa incertezza è che il vuoto non è mai completamente vuoto, ma ha le cosiddette "particelle virtuali" che oscillano continuamente mentre entrano ed escono dall'esistenza.
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Con una quantità gigantesca di energia rilasciata dall'esplosione di un'enorme stella, queste particelle virtuali possono polarizzarsi o ordinarsi a seconda delle loro proprietà, proprio come i magneti hanno i poli nord e sud. Carballo-Rubio ha calcolato che la polarizzazione di queste particelle può creare un effetto sorprendente all'interno dei potenti campi gravitazionali delle stelle giganti morenti - un campo che respinge, non attrae.
Secondo la teoria generale della relatività di Einstein, la curvatura materiale ed energetica dello spazio-tempo porta alla formazione di campi gravitazionali. I pianeti e le stelle hanno una quantità di energia positiva e i campi gravitazionali risultanti sono di natura attraente.
"Tuttavia, quando le particelle virtuali sono polarizzate, il vuoto che occupano può, in media, avere energia negativa e piegano lo spaziotempo in modo tale che il campo gravitazionale associato diventi repulsivo", afferma Carballo-Rubio.
Questo, ovviamente, potrebbe impedire la formazione di un buco nero. Questo fenomeno fa sì che resti stellari relativamente leggeri formino stelle di neutroni invece di buchi neri. I loro campi gravitazionali non sono abbastanza forti da distruggere i neutroni alla singolarità.
Due modelli precedenti hanno suggerito che la gravità repulsiva potrebbe causare il collasso dei resti stellari per formare buchi neri. Uno dei resti stellari simulati formava invece delle gravastar: oggetti riempiti con un vuoto quantistico ricoperti da un sottile guscio di materia. Un altro modello ha suggerito che questi collassi abbiano prodotto stelle nere, dove la materia e il vuoto quantistico si alternano in tutta la struttura in attento equilibrio. Entrambi gli oggetti hanno ancora potenti campi gravitazionali che distorcono profondamente la luce, facendoli apparire scuri come buchi neri.
Secondo Carballo-Rubio, in precedenza c'erano molte incertezze sulle proprietà delle stelle nere e delle gravastar. In un nuovo lavoro, ha creato una struttura matematica che incorpora gli effetti della gravità repulsiva in equazioni che descrivono l'espansione e la contrazione delle stelle. In precedenza, si credeva che questo potesse essere interpretato solo con l'aiuto dei computer. Il suo nuovo modello presuppone l'esistenza di un ibrido di una stella nera e una gravastar, un oggetto in cui la materia e il vuoto quantistico sono distribuiti in tutta la struttura, ma con la materia in concentrazioni più elevate nell'involucro che nel nucleo.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.
