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    Un nuovo teorema prevede che i buchi neri stazionari debbano avere almeno un anello luminoso

    Illustrazione di un buco nero circondato da un anello luminoso (rappresentato dal cerchio luminoso), e da un disco di accrescimento di polvere interstellare (con colori più tenui). L'immagine di un buco nero, ottenuto con simulazioni, è mostrato nell'angolo in basso a destra, in cui un anello luminoso visibile delimita una regione più fioca all'interno. Credito:materiale originale per gentile concessione di NASA/JPL-Caltech/T. Pyle e Progressi scientifici 18 marzo 2020:vol. 6, no. 12 sotto la Creative Commons Attribution Non-Commercial License 4.0 (CC BY-NC).

    Buchi neri, regioni dello spazio con un campo gravitazionale così intenso che nessuna materia o radiazione può sfuggire da esse, sono tra i fenomeni cosmologici più misteriosi e affascinanti. Negli ultimi cinque anni circa, gli astrofisici hanno raccolto le prime osservazioni delle forti forze gravitazionali attorno ai buchi neri.

    La collaborazione LIGO-Virgo è stata in grado di rilevare le onde gravitazionali attorno a questi oggetti celesti utilizzando alcuni dei rilevatori di onde gravitazionali più avanzati al mondo. Nel frattempo, il gruppo di ricerca Event Horizon Telescope ha catturato la primissima immagine di un'ombra di un buco nero.

    Sebbene entrambe queste osservazioni siano molto promettenti e accattivanti, nessuno dei due è in grado di svelare l'orizzonte degli eventi, il confine che definisce la regione specifica nello spazio attorno a un buco nero da cui nulla può sfuggire. Ciò nonostante, dovrebbero contenere una firma che punta a una regione vicina appena al di fuori dell'orizzonte degli eventi, in cui la luce è piegata così fortemente che il suo percorso si chiude su se stesso e forma orbite circolari note come anelli di luce.

    Lo studio di questi anelli di luce potrebbe in definitiva arricchire la nostra attuale comprensione dei buchi neri e delle loro proprietà. Finora, però, molte domande rimangono senza risposta, e siamo ancora lontani dall'ottenere una buona comprensione sia dei buchi neri che degli anelli di luce che li circondano.

    I ricercatori del Max Planck Institute for Gravitational Physics in Germania e dell'Universidade de Aveiro in Portogallo hanno recentemente introdotto un teorema che fa previsioni sugli anelli di luce attorno ai buchi neri stazionari. Il loro teorema, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , suggerisce che i buchi neri di equilibrio devono, Come regola generale, avere almeno un anello luminoso in ciascuno dei loro sensi di rotazione.

    "Sorprendentemente, le proprietà degli anelli di luce possono codificare informazioni molto rilevanti sui buchi neri, " Pedro Cunha e Carlos Herdeiro, i due ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Misurare queste proprietà garantisce una finestra diretta sul regime sfuggente e tuttavia abbastanza inesplorato della gravità molto forte vicino a un buco nero. Al momento non è ancora chiaro se la teoria della relatività generale di Einstein rimanga una buona descrizione delle leggi di gravità sotto tale condizioni estreme Pertanto, una domanda chiave è:qualsiasi modello di buco nero, in ogni teoria della gravità, bisogno di avere un anello luminoso?"

    Immagine simulata di un buco nero rotante. Fonte originale del materiale (immagine di sfondo):ESO/S. Bruni.

    Secondo la teoria della relatività generale, le proprietà dei buchi neri in uno stato di equilibrio e nello spazio vuoto sono molto limitate. Le precedenti osservazioni cosmologiche suggeriscono che questi buchi neri classici posseggano orbite di anelli di luce, il che potrebbe significare che qualsiasi buco nero concepibile avrebbe anche queste orbite.

    Con il loro studio, Cunha e Herdeiro hanno cercato di esaminare la possibilità di estrapolare la nozione di orbite degli anelli di luce e applicarla a buchi neri con contenuto di materia generico o a teorie alternative della gravità (cioè, non la teoria della relatività generale). Il nuovo teorema che hanno ideato fornisce una solida base teorica per la previsione che i buchi neri di equilibrio generico debbano possedere almeno un'orbita ad anello di luce.

    "Nel nostro giornale, introduciamo un argomento generico e matematicamente innovativo che stabilisce che un buco nero di equilibrio deve effettivamente avere, di regola, almeno un anello luminoso standard in ciascun senso di rotazione, " Dissero Cunha e Herdeiro. "Per analizzare gli anelli di luce, tipicamente, si considerano famiglie di soluzioni di una data teoria della gravità, come la relatività generale, o qualche particolare modello di gravità modificata. Qui, però, l'argomento è di natura topologica."

    La topologia è un'area specifica della matematica che si concentra sullo studio delle proprietà geometriche che non sono interessate quando un oggetto subisce deformazioni o altri cambiamenti di forma e dimensione. L'idea chiave alla base degli studi sulla topologia è che alcuni problemi non sono influenzati dalla forma e dalle dimensioni esatte degli oggetti, ma piuttosto dal modo in cui questi oggetti possono essere deformati l'uno nell'altro.

    "Come semplice esempio, una sfera e una ciambella hanno un numero diverso di fori e sono topologicamente distinti, " hanno spiegato i ricercatori. "Al contrario, una sfera e un cubo hanno la stessa topologia, pur avendo diverse forme geometriche."

    Nella loro carta, Cunha e Herdeiro applicano costrutti basati sulla topologia alla domanda se esiste un'orbita di anello di luce attorno a un buco nero. Invece di usare le equazioni del moto fornite da una specifica teoria della gravità per cercare di rispondere a questa domanda, il loro teorema esamina semplicemente come dovrebbe comportarsi lo spaziotempo sia vicino a un buco nero che lontano da esso.

    Gli autori (Carlos Herdeiro, sinistra; Pedro Cunha, Giusto), nella sala di controllo del rivelatore di onde gravitazionali LIGO-Livingston a Livingston Parish, Louisiana, nel febbraio 2017.

    "In altre parole, non assumiamo che una legge di gravità sia corretta, ma supponiamo solo che la corretta legge di gravità (cioè, qualunque essa sia) consente l'esistenza di buchi neri, " Dissero Cunha e Herdeiro. "Allora, costringendo la struttura spaziotemporale ad obbedire ad alcuni requisiti di regolarità, l'esistenza di un buco nero implica che ci deve essere un anello di luce al di fuori dell'orizzonte. Infatti, un buco nero rotante deve avere almeno due anelli luminosi:uno per la luce che circonda il buco nero nella stessa direzione di rotazione del buco nero e un altro per la luce che circonda il buco nero nella direzione opposta."

    Il recente articolo di Cunha e Herdeiro fornisce una nuova prospettiva teorica che potrebbe servire come base per ulteriori studi che esaminino gli anelli di luce attorno ai buchi neri. Il suo principale vantaggio è la sua generalità, in quanto non segue alcuna teoria specifica della gravità e quindi vale anche se la teoria della relatività generale di Einstein non fosse applicabile o accurata in questo contesto.

    "La previsione che i buchi neri abbiano sempre anelli di luce e siano sempre fuori dall'orizzonte ha importanti conseguenze, " Dicono Cunha e Herdeiro. "Per esempio, implica che la sagoma di un buco nero, conosciuta come l'ombra del buco nero, è genericamente diverso e di solito più grande di quanto ci si aspetterebbe che fosse la dimensione del buco nero stesso. Quindi l'ombra dovrebbe essere sempre un ingrandimento del buco nero".

    Sebbene possa essere teoricamente forte, proprio come ogni altro teorema matematico che si applica ai sistemi reali il costrutto introdotto da Cunha e Herdeiro si basa su una serie di assunzioni. Nel loro lavoro futuro, i ricercatori intendono modificare alcune di queste ipotesi e valutare se le previsioni del loro teorema cambiano o rimangono le stesse.

    "Un presupposto chiave del nostro teorema è che lontano dal buco nero non c'è campo gravitazionale, " Dissero Cunha e Herdeiro. "Tuttavia, nell'Universo c'è una costante cosmologica che guida l'espansione del Cosmo. Questo crea un minuscolo campo gravitazionale, non importa quanto sia lontano dal buco nero. Sarebbe molto interessante capire se questo leggero cambiamento nell'assunzione cambierebbe le conclusioni del nostro teorema".

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