Una domanda aperta tra la comunità dei fisici è se i buchi neri possono essere deformati in base alle maree da un campo gravitazionale esterno. Se questo fosse confermato per essere vero, potrebbe avere importanti implicazioni per molte aree della fisica, compresa la fisica fondamentale, astrofisica e astronomia delle onde gravitazionali.

I ricercatori dell'Observatoire de Paris-CNRS e del Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas (CBPF) hanno recentemente condotto uno studio sulla deformabilità mareale dei buchi neri sotto un campo gravitazionale statico. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , suggerisce che in un tale campo, i buchi neri rotanti potrebbero generalmente deformarsi.

"L'idea di questo lavoro è nata in parte da un paio di conferenze durante la Conferenza internazionale sulla relatività generale e sulla gravitazione (GR22) nel 2019, "Marco Casals, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Durante questi colloqui, i relatori hanno discusso la deformabilità delle stelle di neutroni a causa di un campo di marea gravitazionale esterno. Hanno anche detto che, contrariamente alle stelle di neutroni, la deformabilità mareale (statica) dei buchi neri non rotanti è zero, come dimostrato da diversi studi. Questo risultato ha immediatamente sollevato la questione se anche la deformabilità mareale (statica) dei buchi neri rotanti sia zero".

La deformabilità dei buchi neri rotanti sotto un campo gravitazionale statico era già stata studiata da un team di ricercatori dell'Università La Sapienza di Roma. In un articolo pubblicato nel 2015, questi ricercatori hanno dimostrato che quando il campo di marea statico è simmetrico rispetto all'asse di rotazione di un buco nero, la deformabilità del buco nero è nulla.

Nel loro studio, Casals e il suo collega Alexandre Le Tiec volevano studiare la deformabilità dei buchi neri rotanti quando il campo di marea applicato ad essi è arbitrario (cioè, non necessariamente assisimmetrico). Questa è una domanda particolarmente importante, poiché si ritiene che tutti i buchi neri astrofisici ruotino; così, eventuali campi di marea esterni non sarebbero tipicamente assi-simmetrici.

"I documenti precedenti ci hanno fornito alcuni indizi su quali metodi utilizzare, " Ha spiegato Casals. "Uno di questi era una tecnica matematica specifica:lasciare che il cosiddetto indice multipolare assuma temporaneamente numeri reali, mentre i suoi valori fisici sono intesi come numeri puramente interi (ad es. 2, 3, 4, ...)."

La tecnica matematica utilizzata da Casals e Le Tiec può essere utilizzata per districare la deformazione mareale di un buco nero dal campo di marea esterno che l'ha provocata, per poi impostare l'indice multipolare come un numero intero fisico. Nonostante i suoi vantaggi, però, questa tecnica è probabilmente difficile da usare direttamente su equazioni soddisfatte dal campo gravitazionale stesso.

"Anziché, lo abbiamo applicato prima a un'altra quantità, che coinvolge le derivate del campo gravitazionale (misura essenzialmente la curvatura dello spaziotempo) e, in modo cruciale, soddisfa un'equazione più semplice che è stata derivata in un precedente articolo di S. Teukolsky, " Disse Casals. "Da questa quantità, possiamo quindi ottenere il campo gravitazionale."

La misurazione di un campo gravitazionale dipende da chi è il suo "osservatore", o, in termini matematici, sul sistema di coordinate. Perciò, come passo finale, Casals e Le Tiec costruirono quantità indipendenti dall'osservatore (o dalle coordinate), in modo che potessero identificare la deformabilità mareale dei buchi neri rotanti in un modo veramente significativo.

"Queste quantità indipendenti dall'osservatore sono i cosiddetti momenti multipolari di Geroch-Hansen, prendono il nome dagli autori che li hanno inventati (vale a dire, R.P. Geroch nel 1970 e R.O. Hansen nel 1974), " Disse Casali.

Globale, i calcoli effettuati da questo team di ricercatori mostrano che i buchi neri rotanti si deformano genericamente sotto un campo gravitazionale esterno e statico. Questo risultato è in netto contrasto con i risultati di studi precedenti relativi a buchi neri non rotanti o buchi neri rotanti con un campo di marea assialsimmetrico.

"Abbiamo calcolato questa deformazione in modo esplicito per il caso di un debole campo di marea con indice multipolare pari a 2 e per la rotazione di piccoli buchi neri, " Disse Casals. "Inoltre, abbiamo collegato questa deformazione di marea all'effetto precedentemente noto della coppia di marea; un cambiamento nel momento angolare del buco nero dovuto al campo di marea."

I risultati raccolti da Casals e Le Tiec potrebbero aprire la strada a ulteriori studi che indaghino sulla deformabilità dei buchi neri rotanti sotto un campo di marea statico. Nella loro carta, i ricercatori ipotizzano anche la possibilità che una tale deformazione di marea possa essere osservata all'interno delle onde gravitazionali che dovrebbero essere rilevate dalla missione Laser Interferometer Space Antenna (LISA), prevista per il 2034.

"La nostra ricerca può naturalmente essere estesa in una serie di direzioni, " Alexandre Le Tiec ha detto a Phys.org. "Potremmo, ad esempio, studiare la deformabilità mareale dei buchi neri rotanti:(i) per indice multipolare maggiore di 2; (ii) per la rotazione di grandi buchi neri; o (iii) per un forte campo di marea. Sarebbe anche interessante esplorare il legame preciso tra deformabilità mareale, riscaldamento mareale e viscosità diversa da zero dell'orizzonte degli eventi dei buchi neri all'interno del cosiddetto paradigma della membrana".

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