Alcuni fenomeni che si verificano nei buchi neri ma non possono essere osservati direttamente nelle indagini astronomiche possono essere studiati mediante una simulazione di laboratorio. Ciò è possibile grazie a una peculiare analogia tra i processi caratteristici dei buchi neri ei processi idrodinamici. Il denominatore comune è la somiglianza della propagazione delle onde in entrambi i casi.

Questa possibilità è esplorata in un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica . Il fisico Mauricio Richartz, un professore presso l'Università Federale dell'ABC (UFABC) in Brasile, è uno degli autori dell'articolo, prodotto dal gruppo di Silke Weinfurtner presso la School of Mathematical Sciences dell'Università di Nottingham nel Regno Unito. La ricerca è stata supportata da FAPESP tramite il Progetto Tematico "Fisica e geometria dello spaziotempo, " di cui Alberto Vazquez Saa è il principale investigatore.

"Anche se questo studio è interamente teorico, abbiamo anche eseguito simulazioni sperimentali presso il laboratorio di Weinfurtner, " Richartz ha detto ad Agência FAPESP. "L'apparato consiste fondamentalmente in un grande serbatoio d'acqua che misura 3 metri per 1,5 metri. L'acqua defluisce attraverso uno scarico centrale e viene reimmessa, in modo che il sistema raggiunga un punto di equilibrio in cui la quantità di afflusso è uguale alla quantità di deflusso. Simuliamo un buco nero in questo modo".

Ha fornito ulteriori dettagli per spiegare come è stato fatto. "Il flusso dell'acqua accelera quando si avvicina allo scarico. Quando produciamo onde sulla superficie dell'acqua, otteniamo due velocità importanti:la velocità di propagazione dell'onda e la velocità del flusso d'acqua complessivo, " Egli ha detto.

"Lontano dallo scarico, la velocità dell'onda è molto più alta della velocità del fluido, quindi le onde possono propagarsi in qualsiasi direzione. La situazione è diversa vicino allo scarico, però. La velocità del fluido è molto più alta della velocità dell'onda, quindi le onde vengono trascinate verso il basso dal flusso d'acqua anche quando si propagano nella direzione opposta. È così che si può simulare un buco nero in laboratorio".

In un vero buco nero astrofisico, la sua attrazione gravitazionale cattura la materia e impedisce la fuoriuscita di onde di qualsiasi tipo, comprese le onde luminose. Nel simulacro idrodinamico, le onde sulla superficie del fluido non possono sfuggire al vortice che si forma.

Nel 1981, Il fisico canadese William Unruh ha scoperto che la somiglianza tra i due processi – un buco nero e un simulacro idrodinamico – era più di una semplice analogia. Con alcune semplificazioni, le equazioni che descrivono la propagazione di un'onda in prossimità di un buco nero sono identiche a quelle che descrivono la propagazione di un'onda nell'acqua che scorre in uno scarico.

Ciò legittima l'utilizzo di processi idrodinamici per indagare i fenomeni tipici dei buchi neri. Nel nuovo studio, Richartz e collaboratori hanno analizzato il processo di rilassamento (ringdown) in un simulacro idrodinamico di un buco nero fuori equilibrio, tenendo conto di fattori precedentemente ignorati. In alcuni aspetti, il fenomeno che hanno studiato è simile al processo di ringdown in un vero e proprio buco nero astrofisico che genera onde gravitazionali dopo essere stato creato da una collisione con altri due buchi neri.

"Un'attenta analisi dello spettro ringdown rivela le proprietà del buco nero, come il suo momento angolare e la sua massa. Nei sistemi gravitazionali più complessi, lo spettro potrebbe dipendere da più parametri […]", scrivono gli autori nell'articolo pubblicato su Physical Review Letters.

Vorticità

La vorticità è trascurata dai modelli più semplici, ma è considerata in questo studio. È un concetto chiave nella meccanica dei fluidi che quantifica la rotazione di regioni specifiche di un fluido in movimento.

Se la vorticità è nulla, la regione accompagna semplicemente il movimento del fluido. Però, se la vorticità non è nulla, oltre ad accompagnare il flusso, gira anche intorno al proprio centro di massa.

"Nei modelli più semplici, generalmente si assume che la vorticità del fluido sia uguale a zero. Questa è una buona approssimazione per le regioni del fluido situate a distanza dal vortice. Per le regioni vicine allo scarico, però, non è una buona approssimazione perché in questo caso la vorticità diventa sempre più importante. Quindi una delle cose che abbiamo fatto nel nostro studio è stata incorporare la vorticità, "Ha detto Richartz.

I ricercatori hanno cercato di capire come la vorticità influenzi lo smorzamento delle onde durante la propagazione. Quando un vero buco nero è disturbato, genera onde gravitazionali che oscillano ad una certa frequenza. La loro ampiezza diminuisce esponenzialmente nel tempo. L'insieme delle risonanze smorzate che descrive come il sistema eccitato viene riportato all'equilibrio è caratterizzato tecnicamente da uno spettro di modi di oscillazione quasi normali.

"Nel nostro studio, abbiamo studiato come la vorticità influenzasse le modalità quasi normali nell'analogo idrodinamico del buco nero. La nostra scoperta principale è stata che alcune oscillazioni sono decadute molto lentamente, o in altre parole rimasto attivo per lungo tempo, e si trovavano spazialmente in prossimità del canale di scolo. Queste oscillazioni non erano più modalità quasi normali, ma un modello diverso noto come stati quasi legati, "Ha detto Richartz.

Uno sviluppo futuro della ricerca comporterà la produzione sperimentale di questi stati quasi legati in laboratorio.