LIGO suggerisce un possibile limite della relatività generale

E’ stata salutata come un’elegante conferma della teoria generale della relatività di Einstein, ma, ironicamente, la scoperta delle onde gravitazionali all’inizio di quest’anno ha fornito la prima prova che la teoria non funziona al bordo dei buchi neri. Alcuni fisici hanno analizzato i dati pubblicati dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), e sostengono di aver trovato “echi” di onde che sembrano contraddire le previsioni della relatività generale.

Gli echi potrebbero svanire con più dati. Ma se persistono, sarebbe una scoperta straordinaria. I fisici avevano previsto che la teoria di Einstein ampiamente affermata potrebbe fallire in scenari estremi, come al centro dei buchi neri, ma questi echi indicherebbero una possibilità ancora più drammatica, ossia che la relatività non funziona anche ai confini di un buco nero, lontano dal suo nucleo.

Se gli echi spariranno, la relatività generale avrà resistito a un altro test sul suo potere; in precedenza non era chiaro se i fisici sarebbero stati in grado di testare le loro previsioni in condizioni non standard.

“Le rilevazioni di LIGO, e in prospettiva molte altre rilevazioni, offrono un’interessante opportunità per indagare un nuovo regime fisico”, dice Steve Giddings, studioso dei buchi neri all’Università della California a Santa Barbara. Il team di LIGO dice che è a conoscenza di quelle previsioni e che sta cercando i dati relativi a quegli echi.

Fuori portata?
Si è a lungo ritenuto che il bordo di un buco nero, conosciuto come il suo orizzonte degli eventi, fosse al di fuori della portata sperimentale. Secondo la relatività generale, tutto ciò che attraversa quella barriera sarà catturato dal buco nero e non avrà alcuna possibilità di fuggirne. Sarà 

attirato dal nucleo del buco nero, dove si concentra tutta la materia del buco. “I buchi neri sono stati immaginati come pozzi senza fondo”, dice Niayesh Afshordi, cosmologo all’Università di Waterloo, in Canada.

Nel quadro standard, questo non lascia nulla all’orizzonte degli eventi, e se qualcuno fosse così sfortunato da attraversare quel confine non noterebbe alcun cambiamento repentino nell’ambiente. Ma nel 2012, alcuni fisici californiani si sono resi conto che, se la fisica quantistica è corretta, allora l’orizzonte degli eventi dovrebbe essere sostituito da un “firewall”, un anello di particelle ad alta energia che arrostirebbe qualsiasi cosa lo attraversasse, e questo contraddice la relatività generale. L’alternativa è che i buchi neri siano privi di questo firewall, ma ciò implicherebbe che la teoria quantistica è sbagliata.

Anche altre teorie esotiche che contraddicono la relatività generale prevedono una certa struttura all’orizzonte degli eventi; per esempio, alcune versioni della teoria delle stringhe dicono che i buchi neri sono in realtà dei ‘fuzzball’, una sorta di groviglio di filamenti di energia dall’aspetto irregolare, privi di un orizzonte degli eventi nettamente definito. Tuttavia, non sembrava esserci un modo per scrutare l’orizzonte degli eventi e scoprire che cosa ci fosse, ammesso che ci fosse qualcosa, dice Afshordi.

Strane deviazioni
Le cose sono cambiate a febbraio scorso, quando LIGO ha annunciato la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali, o increspature nello spazio-tempo. Le onde sono state generate quando due buchi neri si sono fusi. Poco dopo la rilevazione, un gruppo di fisici guidato da Vítor Cardoso dell’Instituto Superior Técnico di Lisbona ha avanzato l’idea che, se ci fossero strane deviazioni dalla relatività generale (come per esempio l’esistenza di un firewall), le fusioni di buchi neri dovrebbero rilasciare anche una serie di echi dopo l’iniziale esplosione di onde gravitazionali.

Gli echi emergono perché un firewall, o qualsiasi altro tipo di struttura creerebbe una regione spalmata attorno all’orizzonte degli eventi convenzionale. Il bordo interno di questa regione sarebbe l’orizzonte degli eventi convenzionale, il limite oltre il quale la luce, i fotoni, non possono sfuggire. Il bordo esterno sarebbe invece più poroso: un tipico fotone che attraversa questo limite sarà intrappolato dal buco nero, ma alcuni di essi potrebbero sfuggire, a seconda del loro angolo d’incidenza. Questo effetto intrappolerebbe parzialmente anche le onde gravitazionali rilasciate dalla fusione dei buchi neri, che rimbalzerebbero avanti e indietro tra il bordo interno ed esterno, lasciandone sfuggire ogni volta qualcuna.

Il gruppo di Afshordi ha costruito un semplice modello del fenomeno, in cui il buco nero è circondato da pareti a specchio, e non da un orizzonte degli eventi convenzionale, per poi applicare a esso le proprietà di ciascuna delle tre fusioni di buchi neri finora catturate da LIGO. Questo ha rivelato l’esatto intervallo di tempo che dovrebbe trascorrere tra echi ripetuti qualora i buchi neri avessero una qualche struttura al loro orizzonte degli eventi: circa 0,1 secondi, 0,2 secondi e 0,3 secondi. Osservando i dati di LIGO, i ricercatori hanno poi trovato che in tutte e tre gli eventi di fusione il rilascio di onde gravitazionali è stato seguito da echi successivi esattamente a quegli intervalli di tempo.

Migliorare la sensibilità
Gli echi potrebbero essere una coincidenza statistica, e se dietro di essi c’è rumore di fondo casuale, dice Afshordi, allora possibilità di osservare questi echi è di circa 1 su 270, o 2,9 sigma. Per essere sicuri che non si tratti di rumore di fondo, questi echi dovranno essere individuati nelle future fusioni buchi neri. “La cosa buona è che presto arriveranno nuovi dati di LIGO con una migliore sensibilità, quindi dovremmo essere in grado di confermare o escludere questa possibilità entro i prossimi due anni.”

Alessandra Buonanno, membro della collaborazione LIGO e ricercatrice al Max-Planck-Istitut per la fisica gravitazionale a Potsdam, in Germania, afferma che gli scienziati di LIGO stanno lavorando a un’accurata analisi dei segnali di eco.

Il semplice modello a specchio usato da Afshordi è troppo grezzo per dire se a creare gli echi sono stati firewall, fuzzball o qualcosa d’altro. Modelli più sofisticati – dice Afshordi – potrebbero potenzialmente distinguere tra queste alternative, prevedendo le ampiezze degli echi e la loro velocità di estinzione.

Ma anche se l’articolo di questi ricercatori offre “allettanti indizi” su un possibile allontanamento dalla relatività generale – dice Giddings – finora queste sono solo suggestioni. E si chiede se il modello a specchio di Afshordi potrà mai rivelare la causa delle deviazioni dalla relatività generale, anche perché le teorie che le prevedono forniscono solo vaghe descrizioni di ciò che dovrebbe sostituire l’orizzonte degli eventi; e questo rende difficile creare un modello accurato. Un “problema di base è che non sappiamo che cosa sia una buona descrizione fisica di un firewall o un fuzzball”.

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