Verifiche esistenza buchi neri tramite onde gravitazionali

Wednesday, 6 September, 2017

Verifiche dell'esistenza dei buchi neri tramite le onde gravitazionali
Vitor Cardoso & Paolo Pani

In un articolo appena pubblicato sulla rivista Nature Astronomy Vitor Cardoso (dell'Instituto Superior Técnico di Lisbona) e Paolo Pani (del Dipartimento di Fisica della Sapienza) discutono di come l'astronomia delle onde gravitazionali possa fornire informazioni sulla natura degli oggetti compatti più estremi, e in particolare su alcuni effetti di gravità quantistica che potrebbero prevenire la formazione di un buco nero.

Secondo la teoria della Relatività Generale di Einstein, una stella massiccia alla fine del suo ciclo di vita collassa sotto il suo stesso peso e forma un buco nero. Per quanto originariamente considerate soluzioni esotiche, i buchi neri sono stati col tempo ampiamente accettati in astrofisica e la loro esistenza è corroborata da numerose osservazioni, in particolar modo dalla recente rivelazione delle onde gravitazionali emesse durante la coalescenza di sistema binari compatti. Ciononostante, la formazione di un buco nero introduce alcuni importanti problemi dal punto di vista teorico. All'interno di un buco nero esiste una "singolarità", in prossimità della quale la Relatività Generale non è più valida. Inoltre, l'esistenza stessa dei buchi neri sembra in contrasto con alcuni principi cardine della meccanica quantistica, come indicato dal famoso paradosso di Hawking sulla perdita di informazione. Come possibile risoluzione di questi problemi, vari modelli di gravità quantistica prevedono che l'orizzonte degli eventi non si formi, e che il collasso gravitazionale termini con la formazione di un oggetto esotico compatto piuttosto che di un buco nero.

Tali modelli sono attualmente solo speculazioni teoriche ma, come descritto nel recente articolo, essi possono finalmente essere confrontati con le osservazioni fornite dagli interferometri per le onde gravitazionali LIGO e Virgo. I segnali di onda gravitazionale finora rivelati terminano con un "ringdown" che contiene informazioni sulla natura stessa dell'oggetto finale prodotto dopo la collisione. Nella teoria standard, il segnale di ringdown è soppresso esponenzialmente nel tempo, dal momento che le onde gravitazionali vengono assorbite efficacemente dal buco nero. Se, invece, un orizzonte non venisse a formarsi a causa di effetti quantistici o per qualche meccanismo ancora sconosciuto, l'onda gravitazionale sarebbe inizialmente identica a quella di un buco nero ma, dopo il segnale di ringdown iniziale, si osserverebbe ciò che è stato ribattezzato "eco dell'onda gravitazionale":una serie di pulsazioni periodiche di ampiezza e frequenza decrescenti, simili alle eco sonore rivelate dai sonar dei sottomarini. Il segnale gravitazionale prodotto in questo scenario può essere predetto teoricamente.

Il segnale di ringdown di un oggetto esotico compatto (ClePhO) confrontato con quello di un buco nero. I segnali sono inizialmente identici ma nel caso di oggetto senza orizzonte degli eventi sono visibili le "eco"  del segnale iniziale.
Come mostrato in figura, le eco appaiono dopo un certo tempo di latenza che dipende dalla compattezza dell'oggetto e dalle sue caratteristiche. Gli eventi osservati di recente dalla collaborazione LIGO-Virgo forniscono l'evidenza sperimentale più diretta e convincente dell'esistenza dei buchi neri, ma non escludono che eventuali eco siano presenti all'interno del rumore dei rivelatori. Ricerche di questo effetto nei dati di LIGO/Virgo sono attualmente in corso e potrebbero richiedere il successivo upgrade previsto per gli attuali interferometri gravitazionali. Come discusso nel recente articolo, segnali di nuova fisica alla scala dell'orizzonte degli eventi sono alla portata dei rivelatori presenti e futuri, ed esiste una possibilità concreta che alcuni effetti di gravità quantistica possano essere finalmente esclusi (o magari scoperti!) nel prossimo futuro.