I fisici considerano i buchi neri uno degli oggetti più misteriosi che esistano. Ironicamente, sono anche considerati tra i più semplici. Per anni i fisici come me hanno cercato di dimostrare che i buchi neri sono più complessi di quanto sembri. E una missione spaziale europea recentemente approvata chiamata LISA ci aiuterà in questa caccia.
La ricerca degli anni ’70 suggerisce che è possibile descrivere in modo esaustivo un buco nero utilizzando solo tre attributi fisici:massa, carica e rotazione. Tutte le altre proprietà di queste massicce stelle morenti, come la loro composizione dettagliata, la densità e i profili di temperatura, scompaiono quando si trasformano in un buco nero. Sono così semplici.
L'idea che i buchi neri abbiano solo tre attributi è chiamata teorema "senza capelli", il che implica che non hanno alcun dettaglio "peloso" che li renda complicati.
Per decenni, i ricercatori della comunità astrofisica hanno sfruttato scappatoie o soluzioni alternative all’interno dei presupposti del teorema senza capelli per elaborare potenziali scenari di buco nero peloso. Un buco nero peloso ha una proprietà fisica che gli scienziati possono misurare, in linea di principio, e che va oltre la sua massa, carica o rotazione. Questa proprietà deve essere una parte permanente della sua struttura.
Circa dieci anni fa, Stefanos Aretakis, un fisico attualmente presso l'Università di Toronto, dimostrò matematicamente che un buco nero contenente la carica massima che può contenere, chiamato buco nero con carica estrema, svilupperebbe dei "capelli" al suo orizzonte. L'orizzonte di un buco nero è il confine dove tutto ciò che lo attraversa, anche la luce, non può sfuggire.
L'analisi di Aretakis era più un esperimento mentale che utilizzava uno scenario fisico altamente semplificato, quindi non è qualcosa che gli scienziati si aspettano di osservare dal punto di vista astrofisico. Ma i buchi neri sovralimentati potrebbero non essere l'unico tipo che potrebbe avere capelli.
Poiché è noto che oggetti astrofisici come stelle e pianeti ruotano, gli scienziati si aspettano che anche i buchi neri ruotino, in base a come si formano. Le prove astronomiche hanno dimostrato che i buchi neri hanno spin, anche se i ricercatori non sanno quale sia il valore di spin tipico di un buco nero astrofisico.
Utilizzando simulazioni al computer, il mio team ha recentemente scoperto tipi simili di capelli nei buchi neri che ruotano alla massima velocità. Questi capelli hanno a che fare con la velocità di cambiamento, o il gradiente, della curvatura dello spazio-tempo all'orizzonte. Abbiamo anche scoperto che un buco nero in realtà non dovrebbe necessariamente ruotare al massimo per avere i capelli, il che è significativo perché questi buchi neri che ruotano al massimo probabilmente non si formano in natura.
Il mio team voleva sviluppare un modo per misurare potenzialmente questi capelli, una nuova proprietà fissa che potrebbe caratterizzare un buco nero al di là della sua massa, rotazione e carica. Abbiamo iniziato a studiare come una proprietà così nuova possa lasciare un'impronta su un'onda gravitazionale emessa da un buco nero in rapida rotazione.
Un'onda gravitazionale è un piccolo disturbo nello spazio-tempo tipicamente causato da violenti eventi astrofisici nell'universo. Le collisioni di oggetti astrofisici compatti come buchi neri e stelle di neutroni emettono forti onde gravitazionali. Una rete internazionale di osservatori gravitazionali, incluso il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory negli Stati Uniti, rileva regolarmente queste onde.
I nostri studi recenti suggeriscono che è possibile misurare questi attributi pelosi dai dati delle onde gravitazionali per i buchi neri in rapida rotazione. L'esame dei dati sulle onde gravitazionali offre l'opportunità di ottenere una sorta di firma che potrebbe indicare se il buco nero ha questo tipo di capelli.
I nostri studi in corso e i recenti progressi compiuti da Som Bishoyi, uno studente del team, si basano su una miscela di modelli teorici e computazionali di buchi neri in rapida rotazione. I nostri risultati non sono stati ancora testati sul campo o osservati in veri buchi neri nello spazio. Ma speriamo che le cose cambino presto.
Nel gennaio 2024, l'Agenzia spaziale europea ha adottato formalmente la missione Laser Interferometer Space Antenna, o LISA. LISA cercherà le onde gravitazionali e i dati della missione potrebbero aiutare il mio team con le nostre pelose domande sui buchi neri.
L’adozione formale significa che il progetto ha il via libera per passare alla fase di costruzione, con un lancio previsto nel 2035. LISA è composta da tre veicoli spaziali configurati in un triangolo equilatero perfetto che seguiranno la Terra attorno al sole. Le navicelle spaziali saranno distanti ciascuna 1,6 milioni di miglia (2,5 milioni di chilometri) e si scambieranno raggi laser per misurare la distanza tra loro fino a circa un miliardesimo di pollice.
LISA rileverà le onde gravitazionali provenienti da buchi neri supermassicci che sono milioni o addirittura miliardi di volte più massicci del nostro sole. Costruirà una mappa dello spazio-tempo attorno ai buchi neri rotanti, che aiuterà i fisici a capire come funziona la gravità nelle immediate vicinanze dei buchi neri con un livello di precisione senza precedenti. I fisici sperano che LISA sia anche in grado di misurare eventuali attributi pelosi che potrebbero avere i buchi neri.
Con LIGO che effettua nuove osservazioni ogni giorno e LISA che offre uno sguardo sullo spazio-tempo attorno ai buchi neri, ora è uno dei momenti più entusiasmanti per essere un fisico dei buchi neri.
Fornito da The Conversation
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