Un atomo nel cielo. Se esistessero nuove particelle ultraleggere, i buchi neri sarebbero circondati da una nuvola di tali particelle che si comporta in modo sorprendentemente simile alla nuvola di elettroni in un atomo. Quando un altro oggetto pesante entra a spirale e alla fine si fonde con il buco nero, l'atomo gravitazionale viene ionizzato ed emette particelle proprio come vengono emessi gli elettroni quando la luce colpisce un metallo. Credito:UvA Institute of Physics
Nubi di particelle ultraleggere possono formarsi attorno ai buchi neri rotanti. Un team di fisici dell'Università di Amsterdam e dell'Università di Harvard mostra ora che queste nuvole lascerebbero un'impronta caratteristica sulle onde gravitazionali emesse dai buchi neri binari.
Si pensa generalmente che i buchi neri inghiottiscano tutte le forme di materia ed energia che li circondano. È noto da tempo, tuttavia, che possono anche perdere parte della loro massa attraverso un processo chiamato superradianza. Sebbene sia noto che questo fenomeno si verifica, è efficace solo se esistono in natura nuove particelle finora non osservate con massa molto bassa, come previsto da diverse teorie al di là del modello standard della fisica delle particelle.
Atomi gravitazionali ionizzanti
Quando la massa viene estratta da un buco nero tramite la superradianza, forma una grande nuvola attorno al buco nero, creando un cosiddetto atomo gravitazionale. Nonostante le dimensioni immensamente più grandi di un atomo gravitazionale, il confronto con gli atomi submicroscopici è accurato a causa della somiglianza del buco nero più la sua nuvola con la struttura familiare degli atomi ordinari, dove nuvole di elettroni circondano un nucleo di protoni e neutroni.
In una pubblicazione apparsa in Physical Review Letters questa settimana, un team composto dai fisici UvA Daniel Baumann, Gianfranco Bertone e Giovanni Maria Tomaselli, e dal fisico dell'Università di Harvard John Stout, suggerisce che l'analogia tra atomi ordinari e gravitazionali è più profonda della semplice somiglianza nella struttura. Affermano che la somiglianza può in effetti essere sfruttata per scoprire nuove particelle con i prossimi interferometri delle onde gravitazionali.
Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno studiato l'equivalente gravitazionale del cosiddetto "effetto fotoelettrico". In questo processo ben noto, che ad esempio viene sfruttato nelle celle solari per produrre una corrente elettrica, gli elettroni ordinari assorbono l'energia delle particelle di luce incidente e vengono quindi espulsi da un materiale:gli atomi si "ionizzano". Nell'analogo gravitazionale, quando l'atomo gravitazionale fa parte di un sistema binario di due oggetti pesanti, viene turbato dalla presenza del compagno massiccio, che potrebbe essere un secondo buco nero o una stella di neutroni. Proprio come gli elettroni nell'effetto fotoelettrico assorbono l'energia della luce incidente, la nuvola di particelle ultraleggere può assorbire l'energia orbitale del compagno, in modo che parte della nuvola venga espulsa dall'atomo gravitazionale.
Trovare nuove particelle
Il team ha dimostrato che questo processo può alterare drasticamente l'evoluzione di tali sistemi binari, riducendo significativamente il tempo necessario affinché i componenti si fondano l'uno con l'altro. Inoltre, la ionizzazione dell'atomo gravitazionale è migliorata a distanze molto specifiche tra i buchi neri binari, il che porta a caratteristiche nitide nelle onde gravitazionali che rileviamo da tali fusioni. I futuri interferometri delle onde gravitazionali, macchine simili ai rivelatori LIGO e Virgo che negli ultimi anni ci hanno mostrato le prime onde gravitazionali dei buchi neri, potrebbero osservare questi effetti. Trovare le caratteristiche previste dagli atomi gravitazionali fornirebbe prove distintive dell'esistenza di nuove particelle ultraleggere. + Esplora ulteriormente
