I buchi neri sono oggetti astronomici intriganti che hanno un'attrazione gravitazionale così forte da impedire a qualsiasi oggetto e persino alla luce di fuoriuscire. Sebbene i buchi neri siano stati oggetto di numerosi studi astrofisici, le loro origini e la fisica sottostante rimangono in gran parte un mistero.
I ricercatori dell'Università della Pennsylvania e del Centro Atómico Bariloche hanno recentemente introdotto un nuovo modello di microstati dei buchi neri riguardo all'origine dell'entropia (cioè il grado di disordine) nei buchi neri.
Questo modello, presentato in un articolo pubblicato su Physical Review Letters , fornisce una prospettiva alternativa sui buchi neri che potrebbe informare la futura ricerca astrofisica.
"La formula dell'entropia di Bekenstein-Hawking, che descrive la termodinamica dei buchi neri, è stata scoperta negli anni '70", ha detto a Phys.org Vijay Balasubramanian, coautore dell'articolo. "Questa formula suggerisce che i buchi neri hanno un'entropia proporzionale all'area dei loro orizzonti.
"Secondo la fisica statistica, sviluppata da Boltzmann e Gibbs alla fine del XIX secolo, l'entropia di un sistema è correlata al numero di configurazioni microscopiche che hanno la stessa descrizione macroscopica.
"In un mondo della meccanica quantistica come il nostro, l'entropia nasce dalle sovrapposizioni quantistiche di 'microstati', cioè costituenti microscopici che producono gli stessi tratti osservabili su larga scala."
Da decenni i fisici cercano di fornire una spiegazione credibile dell’entropia del buco nero. Negli anni '90, Andrew Strominger e Cumrun Vafa sfruttarono un'ipotetica proprietà nota come "supersimmetria" per ideare un metodo per contare i microstati di una classe speciale di buchi neri per i quali la massa è uguale alla carica elettromagnetica, in universi con dimensioni extra e molteplici tipi di campi elettrici e magnetici.
Per spiegare l'origine dell'entropia dei buchi neri negli universi come il nostro, Balasubramanian e i suoi colleghi hanno dovuto creare un nuovo quadro teorico.
"Nonostante i tentativi precedenti, finora non è stato fornito alcun resoconto applicabile ai tipi di buchi neri che si formano dal collasso stellare nel nostro mondo", ha detto Balasubramanian. "Il nostro obiettivo era fornire un account di questo tipo."
Il contributo principale di questo recente lavoro è stato quello di introdurre il nuovo modello dei microstati del buco nero, che può essere descritto in termini di collasso di gusci di polvere all’interno del buco nero. Inoltre, i ricercatori hanno ideato una tecnica per contare i modi di sovrapporre questi microstati in modo quantistico.
"L'intuizione chiave del nostro lavoro è che geometrie dello spaziotempo molto diverse corrispondenti a microstati apparentemente distinti possono mescolarsi tra loro a causa degli effetti sottili dei 'wormhole' quantistici che collegano regioni distanti dello spazio", ha detto Balasubramanian.
"Dopo aver tenuto conto degli effetti di questi wormhole, i nostri risultati hanno mostrato che per qualsiasi universo contenente gravità e materia, l'entropia di un buco nero è direttamente proporzionale all'area del suo orizzonte degli eventi, come proposto da Bekenstein e Hawking."
Il recente lavoro di Balasubramanian e dei suoi colleghi introduce un nuovo modo di pensare ai microstati dei buchi neri. Il loro modello li descrive specificamente come sovrapposizioni quantistiche di oggetti semplici che sono ben descritti dalle teorie fisiche classiche della materia e dalla geometria dello spaziotempo.
"Ciò è molto sorprendente, perché la comunità si aspettava che una spiegazione microscopica dell'entropia dei buchi neri richiedesse l'intero apparato di una teoria quantistica della gravità, come la teoria delle stringhe", ha detto Balasubramanian.
"Mostriamo anche che gli universi che differiscono l'uno dall'altro su scala macroscopica, persino cosmica, possono talvolta essere intesi come sovrapposizioni quantistiche di altri universi macroscopicamente diversi. Questa è una manifestazione della meccanica quantistica su scala dell'intero universo, il che è sorprendente dato che tipicamente associamo la meccanica quantistica a fenomeni su piccola scala."
Il quadro teorico appena introdotto potrebbe aprire la strada ad altri lavori teorici volti a spiegare la termodinamica dei buchi neri. Nel frattempo, i ricercatori intendono espandere e arricchire la loro descrizione dei microstati del buco nero.
"Stiamo ora studiando fino a che punto, e in quali circostanze, un osservatore al di fuori dell'orizzonte degli eventi può determinare in quale microstato si trova un buco nero", ha aggiunto Balasubramanian.
