Un’illustrazione di un buco nero che agita lo spaziotempo intorno a sé. Un team di scienziati ha sviluppato una ricetta per i buchi neri che elimina uno degli aspetti più problematici della fisica: la singolarità centrale, il punto in cui tutte le nostre teorie, leggi e modelli si frantumano. Se dovessi progettare un oggetto per preservare il mistero pur essendo estremamente inquietante, non potresti fare molto meglio di un buco nero. Innanzitutto, il confine esterno di questi titani cosmici è una superficie che intrappola la luce chiamata orizzonte degli eventi, il punto in cui la gravità di un buco nero è così potente che nemmeno la luce può sfuggire. Ciò significa che nessuna informazione può sfuggire da un buco nero, quindi non possiamo mai osservare o misurare direttamente ciò che si trova al suo interno.
Utilizzando la matematica della teoria della gravità di Einstein del 1915, chiamata relatività generale, gli scienziati possono modellare l’interno di un buco nero. Il problema è che, quando lo fanno, la relatività generale ci dice che tutti i valori matematici vanno all’infinito alla “singolarità” al cuore di un buco nero. Questa nuova ricerca suggerisce che i “buchi neri ordinari” senza una singolarità centrale — l’equivalente fisico di avere la botte piena e la moglie ubriaca — potrebbero essere più di un semplice sogno febbrile di fisici speranzosi.
“La singolarità è la parte più misteriosa e problematica di un buco nero. È dove i nostri concetti di spazio e tempo letteralmente non hanno più senso,” ha detto un membro del team di studio, Robie Hennigar, ricercatore presso l’Università di Durham in Inghilterra. “Se i buchi neri non hanno singolarità, allora sono molto più ordinari.”
La teoria della relatività generale di Einstein afferma che gli oggetti con massa curvano il tessuto stesso dello spaziotempo (le tre dimensioni dello spazio unite con la dimensione del tempo), e la gravità nasce da questa curvatura. Maggiore è la massa, più estrema è la curvatura dello spaziotempo e più forte è l’influenza della gravità. Tutto questo è calcolato con le equazioni che sostengono la relatività generale: le equazioni di campo di Einstein.
“Il modo in cui lo spaziotempo si curva è determinato dalle equazioni di campo di Einstein, che sono il pilastro della relatività generale,” ha detto un membro del team, Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, dell’Istituto di Scienze del Cosmo dell’Università di Barcellona (ICCUB) in Spagna. “Queste equazioni sono estremamente efficaci, poiché prevedono una miriade di fenomeni osservabili nel cosmo, dal moto dei pianeti all’evoluzione dell’universo e all’esistenza dei buchi neri,” ha aggiunto. “Ma prevedono anche l’esistenza delle singolarità, e questo è problematico.”
I buchi neri — regioni di spaziotempo con curvatura estrema — sono emersi per la prima volta come concetto dalle soluzioni alle equazioni di campo di Einstein suggerite dal fisico e astronomo tedesco Karl Schwartzchild mentre serviva in prima linea durante la Prima Guerra Mondiale nel 1915. Queste soluzioni vanno all’infinito al centro di quella regione. I fisici non amano gli infiniti, poiché indicano il fallimento o l’incompletezza dei loro modelli, o suggeriscono qualcosa di completamente non fisico. Ciò significa qualcosa di veramente inquietante e indesiderabile per i fisici.
“In relatività generale, l’interno di un buco nero è come un universo in contrazione, dove la singolarità rappresenta il momento in cui lo spazio stesso collassa,” ha detto Molina-Niñirola. Molina-Niñirola ha aggiunto che molti fisici credono che, quando la gravità diventa eccezionalmente forte e lo spaziotempo è altamente deformato, la relatività generale debba essere sostituita da una teoria più fondamentale. Si è presunto che questa sarebbe una teoria della gravità quantistica che porterebbe a una “teoria del tutto” che unirebbe le finora incompatibili teorie della relatività generale e della fisica quantistica.
“La speranza è che, in questa teoria completa, le singolarità dei buchi neri vengano rimosse,” ha detto Molina-Niñirola. “Ora, la nostra ricetta per i buchi neri regolari va precisamente in questa direzione, ma invece di usare una teoria completa della gravità quantistica, usiamo qualcosa chiamato ‘teoria efficace.’ Questa è una teoria classica della gravità che dovrebbe catturare gli effetti di una presunta teoria della gravità quantistica.” Questo equivale al team che modifica le equazioni di campo di Einstein in modo che la gravità si comporti diversamente quando lo spaziotempo è altamente curvato. In definitiva, ciò porta alla rimozione delle singolarità centrali dei buchi neri.
Questa teoria recentemente modificata suggerisce che non esiste una singolarità al cuore di un buco nero. Quindi cosa esiste in questo regno estremo ed esotico? “Nel nostro modello, il collasso dello spaziotempo si ferma, e la singolarità è sostituita da una regione statica altamente deformata che si trova al centro del buco nero,” ha detto Molina-Niñirola. “Questa regione è statica perché non si contrae. Ciò significa che un osservatore potrebbe ipoteticamente rimanere lì, supponendo che fosse in grado di sopravvivere alle enormi, ma finite, forze gravitazionali in questa regione.”
A parte lo spaziotempo curvato, cos’altro si trova al cuore dei buchi neri, se questa teoria è corretta? Secondo Hennigar, strettamente parlando, nulla. “Questi buchi neri sono puro vuoto ovunque; non è necessario che ci sia materia presente, ma si può facilmente includerla se lo si desidera,” ha continuato il ricercatore dell’Università di Durham. “Potrebbe sembrare strano avere un buco nero in assenza di materia, ma la stessa cosa può accadere anche nella relatività generale.”
Anche se il concetto di buco nero del team fosse verificato, probabilmente non fermerebbe la ricerca di un modello valido di gravità quantistica e di una teoria del tutto. “In un certo senso, questo è un problema che non può essere evitato. Le stelle collassano continuamente nel nostro universo; è un processo fisico inevitabile. Ma questo evento comune è qualcosa che ci spinge oltre tutto ciò che conosciamo,” ha continuato Hennigar. “Nelle fasi finali del collasso, poco prima di raggiungere la singolarità, sia la gravità che gli effetti quantistici saranno importanti. “Quindi sappiamo già che le conclusioni che si trarrebbero dalla sola relatività generale sono insufficienti per descrivere un luogo/momento così estremo.”
Se corretto, questa ricerca potrebbe aver in parte demistificato i buchi neri, ma apre molte domande che dovranno ancora essere risposte. “Il nostro lavoro fornisce risposte ad alcuni misteri, ma ne apre altri,” ha detto Molina-Niñirola. “Ad esempio, secondo il nostro modello — e altre proposte nella letteratura scientifica — la materia che cade all’interno di un buco nero regolare uscirebbe infine dal buco nero attraverso un buco bianco situato in un altro universo o in una regione disconnessa dello stesso universo. “Questo sembra molto esotico, ma è l’unica possibilità se le singolarità non esistono: tutto ciò che entra in un buco nero deve eventualmente uscirne.”
Il ricercatore ha aggiunto che questo processo comporta problemi propri, che devono essere anch’essi investigati per valutare la robustezza dell’idea del team. La grande domanda è se gli scienziati potrebbero mai trovare prove per questa teoria dalle osservazioni effettive dei buchi neri; dopotutto, sappiamo che non possiamo semplicemente scrutare nei loro interni. “È difficile da dire, poiché gli effetti che portano alla risoluzione della singolarità potrebbero diventare osservabili solo in regimi di gravità estremamente forte, probabilmente molto più forte di quanto possiamo sperare di osservare,” ha detto Molina-Niñirola. “Tuttavia, ci sono alcuni esperimenti che possono offrirci alcune possibilità.”
Molina-Niñirola ha spiegato che l’osservazione di increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali consente agli astronomi di osservare campi gravitazionali molto più forti che mai. Questo dà agli scienziati un’opportunità unica di cercare di individuare effetti oltre la relatività generale, inclusi quelli che potrebbero portare alla risoluzione della singolarità. Inoltre, se la teoria del team è corretta, dovrebbe esserci un’impronta distintiva nell’universo primordiale, durante l’era dell’inflazione cosmica subito dopo il Big Bang.
“A questo proposito, la rilevazione di un fondo di onde gravitazionali primordiali — che non è ancora stato rilevato — potrebbe fornire indizi su possibili modifiche della gravità,” ha detto Molina-Niñirola. “una conseguenza dell’assenza di singolarità è che il prodotto finale dell’evaporazione di un buco nero tramite radiazione di Hawking sarebbe un buco nero microscopico. “Questi buchi neri microscopici forniscono un possibile candidato per la materia oscura. Quindi, se la materia oscura risultasse composta da minuscoli buchi neri, questo sarebbe una prova indiretta a favore dell’assenza di singolarità.”
La ricerca del team è stata pubblicata sulla rivista Physics Letters B nel febbraio 2025.