Tests di buchi neri quantistici con LISA

Lunedì, 26 Febbraio, 2018
Si assume spesso che la fisica alla scala di Planck sia inaccessibile dal momento che coinvolge energie troppo elevate per gli esperimenti presenti e futuri. In un paper appena pubblicato in Physical Review Letters e selezionato come Editors' Suggestion, un team del Dipartimento di Fisica della Sapienza e dell'Instituto Superior Tecnico di Lisbona mostra che LISA, il futuro interferometro spaziale per le onde gravitazionali, permetterà di esplorare effetti di gravità quantistica nelle vicinanze di oggetti compatti supermassivi.
 
L'obiettivo principale della missione spaziale LISA (che partirà attorno al 2030 a guida ESA) è quello di rivelare le onde gravitazionali prodotte nella coalescenza di binarie supermassive, ossia l'analogo degli oggetti rivelati in questi anni da LIGO/Virgo ma con masse fino ad un milione di volte piu' grandi. Secondo la relatività generale, gli oggetti supermassivi compatti (quali, ad esempio, Sagittarius A* al centro della Via Lattea) sono buchi neri con masse che vanno dal milione al miliardo di masse solari. Numerose teorie di gravità quantistica, invece, predicono che il collasso gravitazionale formi un oggetto compatto diverso rispetto al buco nero predetto dalla relatività generale solo alla scala di Planck vicino all'orizzonte.
 
Nelle ultime fasi della coalescenza, le interazioni di marea giocano un ruolo fondamentale nell’evoluzione di un sistema binario, e sono sufficientemente intense da modificarne il moto orbitale e il segnale gravitazionale. Quest’ultimo mostra differenze significative a seconda che la binaria sia composta da due buchi neri ordinari, o da una coppia di oggetti esotici compatti.  Gli effetti di marea sul segnale sono descritti da una serie di grandezze che codificano la deformabilità dell’oggetto compatto. Tali grandezze non compaiono nell’onda gravitazionale nel caso di buchi neri, e danno invece un contributo se i corpi sono privi di un orizzonte; questi ultimi si comportano come enormi stelle di neutroni ma con masse molto maggiori del limite di Chandrasekhar. Le deviazioni nel segnale hanno una dipendenza logaritmica dalla compattezza dell'oggetto. Ciò fa sì che gli effetti non siano completamente soppressi alla scala di Planck, e che rappresentino un prezioso strumento per distinguere tra due classi di oggetti astrofisici.  Inoltre, la mancanza di orizzonte fa sì che gli oggetti esotici compatti non assorbano radiazione. Questa differenza si riflette in un'ulteriore modifica, anch’essa con una dipendenza logaritmica dalla compattezza, del segnale gravitazionale emesso durante la coalescenza.
 
I vincoli sperimentali che possono essere ottenuti su questi effetti dipendono fortemente dalla natura dell’oggetto esotico, e dalla sua struttura interna, che determina inoltre la forma delle correzioni all’orizzonte. Le deviazioni presenti nel segnale gravitazionale sono troppo piccole per essere rivelate dagli interferometri terrestri come Virgo e LIGO. Tuttavia, la straordinaria sensibilità di LISA sarà in grado di fornire una stima accurata di queste deviazioni anche per sorgenti binarie a distanze cosmologiche. Come discusso nell'articolo, LISA non solo inaugurerà l'era dell'astronomia gravitazionale nella banda del milli-Hertz, ma potrebbe anche fornire nuovi indizi sui misteri della gravità quantistica.

 

Referenza:

Probing Planckian Corrections at the Horizon Scale with LISA Binaries
Andrea Maselli, Paolo Pani, Vitor Cardoso, Tiziano Abdelsalhin, Leonardo Gualtieri, Valeria Ferrari