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DALL’ANALISI DEI DATI DI LIGO
Echi gravitazionali sfidano Einstein

Grazie agli ultimi dati raccolti dal rivelatore situato negli Stati Uniti, un gruppo di ricercatori ha proposto un modo per capire cosa succede attorno ai buchi neri. L’idea è che se la struttura dell’orizzonte degli eventi non rispetta le predizioni della relatività generale, allora si dovrebbero generare anche una serie di echi, cioè onde gravitazionali secondarie che seguono quelle principali.

Il mese di Febbraio di quest’anno sarà ricordato dalla comunità scientifica per l’eccezionale rivelazione delle onde gravitazionali, un risultato che è stato definito un “trionfo per la fisica”. È stata una conferma sorprendente della relatività generale, quasi un secolo dopo la pubblicazione della teoria di Albert Einstein, che predice la formazione di increspature nel “tessuto” dello spaziotempo emesse, in questo caso, a seguito della fusione di due buchi neri. Ma nonostante ciò, sembra esserci un’altra faccia della medaglia poiché pare che questa scoperta abbia fornito anche la prima interessante evidenza che la teoria di Einstein verrebbe meno in prossimità dell’orizzonte degli eventi dei buchi neri. I risultati di questo studio sono pubblicati su arXiv.org.

A partire da Febbraio, lo strumento che ha rivelato il segnale gravitazionale, cioè il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ha osservato in totale tre eventi (come illustrato nella figura). Ora, i ricercatori si sono focalizzati su questi dati e sostengono di aver trovato nelle onde gravitazionali delle evidenze, chiamate “echi”, che andrebbero contro le predizioni della relatività generale sui buchi neri. Ma questa evidenza, però, è inferiore al cruciale margine d’errore dei 5-sigma (deviazione standard). Che significa? La statistica, per quanto difficile da digerire, è una scienza molto importante, particolarmente nella fisica. Gli scienziati dividono gli errori in due tipi: l’errore di tipo 1 indica che qualcosa sia vero quando non lo è (si parla di falso positivo); l’errore di tipo 2 è ci dice invece che qualcosa sia vero quando lo è in realtà (in questo caso si parla di falso negativo). Perciò, quando si vuole verificare un’ipotesi, bisogna svolgere un controllo statistico per vedere quanto è probabile che i dati che sembrano confermarla siano emersi per caso. I fisici adottano criteri molto rigidi e considerano accettabile un tasso di falsi positivi pari a 1 su 3,5 milioni (ossia la deviazione standard di 5-sigma): in altre parole, se il test supera il criterio dei 5-sigma si parla di scoperta. Dunque, se ricerche successive dimostreranno che gli “echi” sono davvero presenti, allora potrebbe essere un grande passo in avanti per la fisica.

La figura illustra, in rosso, l’orizzonte degli eventi e, in azzurro/grigio, la ergosfera nel caso di un buco nero ruotante.

Si ritiene già che la relatività generale venga meno al centro dei buchi neri ma questo caso mostrerebbe che la teoria fallisce anche nelle loro regioni più esterne. Potrebbe essere la nascita di una nuova fisica? Quello che possiamo dire è che se gli echi scompariranno, la teoria di Einstein potrebbe ancora passare un altro test. Per decenni, infatti, i fisici hanno cercato di trovare delle falle nella relatività generale, tentando di renderla compatibile anche con la meccanica quantistica ma, finora, la versione originale formulata dallo scienziato tedesco ha retto bene. La domanda è: che cosa sono questi “echi” e che cosa hanno a che fare con la teoria della relatività generale? Per provare a rispondere alla domanda, dobbiamo partire dal cosiddetto paradosso dell’informazione dei buchi neri. Secondo la relatività generale, qualsiasi cosa attraversi l’orizzonte degli eventi di un buco nero dovrebbe scomparire, senza lasciare traccia. Il pensiero tradizionale è che nemmeno la luce può sfuggire alla gravità del buco nero, da cui il nome “nero”. Su questo argomento, gli scienziati hanno sollevato di recente tutta una serie di questioni: secondo la meccanica quantistica, la materia che viene catturata da un buco nero dovrebbe lasciare, in qualche modo, una sua “traccia” nella parte esterna all’orizzonte degli eventi. Ma come può l’orizzonte degli eventi soddisfare contemporaneamente sia la relatività generale (secondo cui qualsiasi cosa viene distrutta quando supera questa sorta di confine di non ritorno) e la meccanica quantistica (che afferma invece che dovrebbe rimanere qualche traccia)? La risposta è che non lo sappiamo. Una spiegazione possibile deriva dall’ipotesi del firewall, proposta nel 2012, una sorta di “muro di fuoco” secondo cui esisterebbe una sorta di “anello” di particelle di alta energia che circonderebbe l’orizzonte degli eventi del buco nero distruggendo qualsiasi cosa lo attraversi. Stephen Hawking, però, sostiene un’altra idea: per usare una metafora, i buchi neri non sarebbero proprio “calvi” ma avrebbero ancora dei “capelli”, anche se non proprio folti, che corrisponderebbero a eccitazioni quantistiche di bassa energia in grado di immagazzinare le “impronte digitali” di qualsiasi cosa superi l’orizzonte degli eventi (vedasi Singolarità e orizzonte degli eventi potrebbero essere un ‘mito’). Indipendentemente da quale ipotesi sia quella più convincente, il messaggio che rimane è lo stesso: l’orizzonte degli eventi non sarebbe così “pulito” come predice la teoria di Einstein bensì più “lanuginoso” di quanto ipotizzato in precedenza. L’unico problema è che non c’era modo di provare queste idee finchè LIGO non ha rivelato le onde gravitazionali.

Grazie agli ultimi dati raccolti dal rivelatore situato negli Stati Uniti, un gruppo di tre ricercatori ha proposto un modo per capire cosa succede attorno ai buchi neri. L’idea è che se davvero la regione più esterna dei buchi neri (l’orizzonte degli eventi) non rispetta le predizioni della relatività generale e non è così distinta (cioè appare lanuginosa), allora si dovrebbero formare anche una serie di echi una volta che vengono generate le prime onde gravitazionali. Gli scienziati credono che questa situazione lanuginosa che circonda i buchi neri sia equivalente a una sorta di “sala degli specchi”: essa intrappola parte delle onde gravitazionali che emergono quando si fondono due buchi neri, facendo sì che le onde rimbalzino per un po’ sugli specchi, in modo tale che ne sfuggano poche alla volta. Ciò vuol dire che questi echi avrebbero raggiunto LIGO leggermente più tardi: secondo i calcoli realizzati dai ricercatori, questi segnali sarebbero stati rivelati da LIGO 0,1, 0,2 e 0,3 secondi dopo il primo treno di onde gravitazionali. Questo è esattamente ciò che mostrano i dati. Naturalmente, avere un campione di tre onde gravitazionali è piuttosto poco, perciò c’è una probabilità statistica di 1 su 270, ossia 2,9-sigma per essere precisi, che tali echi siano rumore di fondo. La speranza è che tra un paio d’anni, la migliore sensibilità dello strumento LIGO ci permetterà di confermare, o meno, questa ipotesi. Ad ogni modo, anche se l’evidenza degli echi potrà essere confermata, essa comunque non fornisce alcun indizio sulla struttura lanuginosa di cui è fatto l’orizzonte degli eventi. Perciò dovremo ancora aspettare finchè non sarà risolto il paradosso dell’informazione dei buchi neri. Una cosa è certa: la scoperta dell’anno nell’ambito della fisica è diventata ancora più interessante.

I risultati di questo studio, pubblicati su arXiv.org, potranno essere esaminati dal resto della comunità scientifica prima di essere sottoposti a peer-review. Insomma, c’è una buona possibilità che gli echi gravitazionali potranno svanire con una migliore e approfondita analisi dei dati.


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