I buchi neri potrebbero non esistere, ma i fuzzball potrebbero, la teoria selvaggia suggerisce

I buchi neri sono, di gran lunga, gli oggetti più misteriosi dell’universo. Sono oggetti nel cosmo dove tutta la nostra conoscenza della fisica si rompe completamente.

Eppure, nonostante la loro apparente impossibilità, esistono. E se questi mostri gravitazionali non fossero affatto dei buchi neri, ma piuttosto l’equivalente cosmico di palline di corda sfocate e vibranti?

Una nuova ricerca suggerisce che potrebbe essere così, e che con le prossime osservazioni potremmo effettivamente essere in grado di vederli.

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Il problema dei buchi neri

I buchi neri appaiono nella teoria della relatività generale di Einstein, e con tutti i diritti non dovrebbero semplicemente esistere. In quella teoria, se un ammasso di materia si accartoccia in un volume abbastanza piccolo, allora la gravità può diventare troppo forte. Questa folle compressione gravitazionale può superare qualsiasi delle altre quattro forze fondamentali della natura – come la forza nucleare forte che tiene insieme quel grumo di materia. Una volta raggiunta una certa soglia critica, l’ammasso di materia si stringe e si comprime in un punto infinitamente piccolo.

Questo punto infinitamente piccolo è noto come singolarità, ed è circondato da una superficie nota come orizzonte degli eventi – il luogo dove l’attrazione della gravità supera la velocità della luce.

Ovviamente, non esiste un punto infinitamente piccolo, quindi questa immagine sembra sbagliata. Ma a metà del 20° secolo gli astronomi hanno cominciato a trovare oggetti che sembravano buchi neri, si comportavano come buchi neri e probabilmente puzzavano anche come buchi neri. Nonostante la loro impossibilità, erano lì, a galleggiare nell’universo.

E questo non è l’unico problema. Nel 1976, il fisico Stephen Hawking ha capito che i buchi neri non sono completamente neri. A causa delle stranezze della meccanica quantistica, i buchi neri evaporano lentamente. Questo ha portato a un paradosso: tutta l’informazione che cade in un buco nero viene bloccata all’interno. Ma la radiazione di Hawking non porta via quelle informazioni (almeno, per quanto ne sappiamo). Quindi, quando il buco nero alla fine evapora, cosa succede a tutte quelle informazioni?

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Una soluzione filiforme

Nel corso dei decenni, i fisici teorici si sono dati da fare per trovare qualcosa – qualsiasi cosa – per spiegare i buchi neri. Qualcosa che spieghi il paradosso dell’informazione e qualcosa che sostituisca la singolarità con una matematica che funzioni.

Tra questi teorici ci sono quelli che lavorano sulla teoria delle stringhe, che è un modello dell’universo che sostituisce tutte le particelle e le forze che amate con stringhe subatomiche e vibranti. Nella teoria delle stringhe, queste stringhe sono i costituenti fondamentali della materia nell’universo, ma non possiamo vederle come stringhe perché sono così piccole. Oh, e perché la matematica della teoria delle stringhe funzioni, ci devono essere delle dimensioni extra – tutte minuscole e raggomitolate su se stesse su scale subatomiche, così che non vediamo nemmeno quelle.

La teoria delle stringhe pretende di essere una teoria del tutto, capace di spiegare ogni tipo di particella, ogni tipo di forza, e fondamentalmente tutto nell’universo (e, per completezza, l’intero universo stesso).

Quindi la teoria delle stringhe dovrebbe essere in grado di spiegare l’inspiegabile: dovrebbe essere in grado di sostituire i buchi neri con qualcosa di meno spaventoso.

E, infatti, i teorici delle stringhe hanno proposto una sostituzione meno spaventosa dei buchi neri. Si chiamano fuzzballs.

Svolgere il filo

Nella teoria delle stringhe, i buchi neri non sono né neri né buchi. Invece, la migliore metafora per spiegare cosa sia un fuzzball è guardare un altro oggetto compatto e strano nell’universo: le stelle di neutroni.

Le stelle di neutroni sono ciò che accade quando un oggetto non ha abbastanza gravità per comprimersi in quello che chiamiamo un buco nero. All’interno di una stella di neutroni, la materia è compressa nel suo stato di massima densità possibile. I neutroni sono uno dei costituenti fondamentali degli atomi, ma di solito giocano insieme ad altre particelle come protoni ed elettroni. Ma in una stella di neutroni, quel tipo di cameratismo atomico si rompe e si dissolve, lasciandosi dietro solo neutroni stipati il più strettamente possibile.

Con le fuzzball, le stringhe fondamentali smettono di lavorare insieme e semplicemente si affollano, diventando una grande, beh, palla di stringhe. Una fuzzball.

Le fuzzball non sono del tutto chiarite, nemmeno in teoria, perché per quanto la teoria delle stringhe sembri figa, nessuno è mai riuscito a trovare una soluzione matematica completa per essa – e quindi le fuzzball non sono solo fuzzy nella realtà fisica, ma anche fuzzy nella possibilità matematica.

Ancora, potremmo essere in grado di trovare fuzzball con le prossime indagini, come descritto in un articolo di revisione pubblicato il 27 ottobre sulla rivista arXiv. Stiamo appena iniziando ad andare oltre la dimostrazione dell’esistenza dei buchi neri e verso

la ricerca dei dettagli di come si comportano, e il nostro modo migliore per farlo è attraverso le onde gravitazionali.

Quando i buchi neri si scontrano e si fondono, rilasciano uno tsunami di onde gravitazionali, che attraversano il cosmo, raggiungendo infine i nostri rilevatori sulla Terra. Per tutte le dozzine di fusioni di buchi neri a cui abbiamo assistito finora, la firma delle onde gravitazionali è esattamente ciò che la relatività generale prevede che facciano i buchi neri.

Ma gli strumenti futuri, come l’avanzato Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e la Laser Interferometer Space Antenna (un rivelatore di onde gravitazionali proposto nello spazio), potrebbero avere la sensibilità necessaria per distinguere i buchi neri normali dalle fuzzball. Dico “potrebbe” perché diversi modelli di fuzzball prevedono diverse variazioni dal comportamento standard dei buchi neri.

Se fossimo in grado di trovare prove per i fuzzball, non solo risponderemmo alla domanda su cosa sono veramente i buchi neri, ma riveleremmo alcuni dei fondamenti più profondi della natura.

Originariamente pubblicato su Live Science.