Cosa accadrebbe se un buco nero cadesse dentro un wormhole?

Cosa succede se buco nero comincia ad orbitare intorno ad un wormhole? Un gruppo di astronomi dell’università del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Nashville ha ipotizzato di poter rilevare l’interazione tra buchi neri e wormhole, grazie alle onde gravitazionali, proponendo un metodo per dimostrare l’esistenza dei wormhole.

Le onde gravitazionali

Quando uno o più oggetti con una certa massa si muovono all’interno di un campo gravitazionale, vengono generate delle onde gravitazionali. Le onde gravitazionali si propagano nello spazio-tempo alla velocità della luce, andando a deformare lo spazio-tempo, stirando e comprimendo il tessuto spazio-temporale.

Le onde gravitazioni erano già state previste da Albert Einstein nella sua teoria della relatività generale; tuttavia, anche Einstein non sapeva se queste onde esistessero davvero e se sarebbe mai stato possibile dimostrare sperimentalmente la loro presenza. Il problema delle onde gravitazionali è che esse sono incredibilmente deboli, quindi per molto tempo la loro rilevazione sembrava un’utopia.

Una scoperta epocale

Nel 2016 la previsione della relatività generale è stata confermata dai dati empirici. Un gruppo di ricercatori del LIGO Scientific Collaboration è riuscito a misurare delle onde gravitazionali generate dalla collisione di stelle di neutrini.

La misura è stata realizzata grazie al Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), un sistema di rilevazione di onde gravitazionali basato sull’interferometria laser. LIGO è formato da due rilevatori, uno collocato a Livingston, Louisiana, l’altro a Hanford, Washington.

I rilevatori

Ognuno dei due rilevatori è composto da due tunnel che formano una L; in questi tunnel vengono immessi dei fasci di protoni, i quali devono percorrere avanti e indietro i due tunnel. In assenza di onde gravitazionali il fascio di protoni impiega un tempo ben preciso a percorrere i tunnel; questo tempo viene misurato con estrema precisione.

Però, quando delle onde gravitazioni investono i rilevatori di LIGO, esse deformano il tessuto spazio-temporale, contraendo o stirando la lunghezza dei tunnel. Quindi, il fascio di protoni impiega un tempo leggermente diverso nel percorrere i due tunnel. Questa differenza infinitesimale del tempo di percorrenza del fascio di protoni dimostra l’esistenza delle onde gravitazionali.

Gli strumenti utilizzati per le misure devono essere estremamente precise, per questo motivo fino a pochi anni fa era impossibile rilevare onde gravitazionali. Inoltre, il sistema LIGO può confermare la presenza di onde gravitazioni relativamente forti, generate quindi da eventi cosmici con immensa energia, come la collisione di due stelle morenti di neutrini. Dal 2016 al 2020 sono state rilevate altri 20 passaggi di onde gravitazionali, ed il numero di rilevatori LIGO è aumentato in giro per il mondo. Un rilevatore ad interferometria laser è stato costruito anche a Pisa, è stato chiamato VIRGO ed è frutto della collaborazione di molti stati dell’Unione Europea.

Buco nero e Wormhole

I rilevatori LIGO solitamente possono misurare la il passaggio di onde gravitazionali scaturite dallo scontro di oggetti stellari come buchi neri e stelle di neutrini. Tuttavia, nello spazio esistono anche altri stravaganti oggetti, la cui interazione con un buco nero potrebbe generare onde gravitazionali, questi oggetti sono i wormhole. I wormhole sarebbero dei tunnel nel tessuto spazio-temporale. Questi non sono mai stati rilevati, ma la loro esistenza è plausibile secondo la teoria della relatività generale di Einstein.

Differenze tra buco nero e wormhole

Tra buchi neri e wormhole esistono delle differenze importanti. I buchi neri sono oggetti stabili con una densità elevatissima, tanto che superata una certa distanza dal buco nero, definita event horizon, niente può sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero. Infatti, superato il confine dell’event horizon, per scappare dal buco nero sarebbe necessaria una velocità maggiore di quella della luce.

I wormhole sarebbero, secondo la teoria, dei tunnel nello spazio-tempo altamente instabili che si richiudo poco istanti dopo la loro apertura. Secondo la fisica, per mantenere un wormhole “aperto”, sarebbe necessaria la presenza di materia con massa negativa. Tuttavia, nessuno sa se esista materia con questa caratteristica. Inoltre, sempre teoricamente, la materia può entrare nel wormhole ma anche uscire, al contrario dei buchi neri.

Cosa succederebbe se un buco nero cadesse all’interno di un wormhole?

Ipotizzando l’esistenza dei wormhole, i ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Nashville, in collaborazione con i colleghi dell’università di Huntsville, hanno pubblicato un articolo scientifico in cui descrivono come sarebbe l’interazione tra un buco nero ed un wormhole.

I fisici hanno ipotizzato uno scenario con un buco nero con massa pari a sessanta volte quella del sole che orbita intorno ad un wormhole stabile ed attraversabile, con massa pari a duecento volte quella del sole. Inoltre, hanno anche ipotizzato che lo stesso buco nero sia risucchiato dentro uno degli ingressi del wormhole e fuoriesca dall’altro, viaggiando nello spazio-tempo. Infine, hanno ipotizzato che, uscendo dall’altra parte, il buco nero continui ad orbitare intorno al wormhole e lo attraversi di nuovo in senso opposto.

Un metodo per rilevare un wormhole

Attraverso un modello matematico e delle simulazioni numeriche, l’articolo illustra un plausibile metodo per dimostrare l’esistenza di un wormhole. Tutto parte dalle onde gravitazionali generate dal buco nero che orbita intorno al wormhole. Man mano che il buco nero si avvicina al wormhole, la sua velocità orbitale aumenta, proprio come quando facciamo ruotare con la mano una palla legata ad un filo. Più è corto il filo, più velocemente dovremo far ruotare la palla perché non cada.

Questo aumento di velocità genera delle onde gravitazioni con frequenza maggiore, causando un segnale definito chirp, cioè un segnale ad alta frequenza e di breve durata. Se il buco nero collassa dentro il wormhole, e lo attraversa, si avrebbe un segnale di onde gravitazionali (chirp) simile a quello generato dalla collisione di due buchi neri; tuttavia questo segnale decadrebbe molto più velocemente, in quanto grossa parte delle onde gravitazionali sarebbero propagate all’altro ingresso del wormhole.

Quando il buco nero viene risucchiato nuovamente nel wormhole, attraversandolo per ritornare all’ingresso di partenza, si avrebbe la rilevazione di un anti-chirp, cioè un segnale con frequenza che decresce man mano che il buco nero ritorna verso l’ingresso iniziale e poi si allontana dal wormhole.

Nel modello ipotizzato, il buco nero continuerebbe ad attraversare il wormhole nei due versi, percorrendo ogni volta meno strada, fin quando non resterebbe incastrato nel tunnel del wormhole. Questo fenomeno creerebbe una serie di chirp e anti-chirp rilevabili, con intervalli sempre più brevi tra loro. Questo potrebbe essere un metodo attuabile per dimostrare la presenza di un wormhole. Infatti, se un pattern di segnali di questo tipo fosse rilevato, si dimostrerebbe la presenza del wormhole.

Sviluppi futuri

William Gabella, fisico alla Vanderbilt University in Nashville e co-autore dello studio, ha dichiarato che “anche se i wormhole sono al momento solo una speculazione, il fatto che potremmo avere un metodo per dimostrare la loro presenza, o almeno dare concretezza alla teoria della loro esistenza, è molto bello”.

Resta ancora da ipotizzare la fine che farebbe il wormhole con il buco nero incastrato al suo interno. In questo scenario, il risultato potrebbe dipendere dalla massa del buco nero. Se la massa del buco nero resta molto più piccola di quella del wormhole, il sistema dovrebbe restare stabile. Altrimenti, il buco nero incastrato nel wormhole potrebbe far collassare il sistema e creare un nuovo buco nero, rilasciando onde gravitazionali di energia immensa.

Infine, cosa accadrebbe se il buco nero fosse in parte risucchiato dentro il wormhole ed in parte rimanesse all’esterno? A riguardo, Gabella ha risposto che “si sospetta che ci sarebbe qualche bizzarro fenomeno in prossimità dell’event horizon del buco nero, con il rilascio di onde gravitazionali e perdita di energia”.