BUCO BIANCO: STORIA, TEORIA E COME SI FORMA - FISICO - 2024

Il buco bianco è una singolarità dello spazio-tempo, appartenente alle soluzioni esatte delle equazioni della relatività generale. Queste singolarità hanno quello che viene chiamato un orizzonte degli eventi. Ciò significa la presenza di una barriera, che in un buco bianco nulla può penetrare dall'esterno. Teoricamente, un buco bianco è una singolarità che risale al passato.

Al momento nessuno ha potuto osservarne nessuno. Ma è possibile che dobbiamo la nostra esistenza al più speciale di tutti: il Big Bang di 13,8 miliardi di anni fa può essere considerato come un evento causato da un buco bianco supermassiccio.

Una grande massa come un pianeta può deformare lo spazio-tempo. Fonte: Mysid

La teoria della relatività generale ritiene che lo spazio-tempo possa essere deformato dall'effetto dell'accelerazione o dalla presenza di oggetti massicci. È la stessa teoria che prediceva l'esistenza dei buchi neri, di cui i buchi bianchi sarebbero stati la controparte. Pertanto, l'esistenza di questi è considerata ugualmente possibile.

Ora, per formare la singolarità spazio-temporale è necessario un meccanismo fisico. Nel caso dei buchi neri, la causa è nota per essere il collasso gravitazionale di una stella supermassiccia.

Ma il meccanismo fisico che potrebbe formare una singolarità simile a un buco bianco non è ancora noto. Anche se i candidati sono certamente emersi per spiegare la loro possibile formazione, come si vedrà a breve.

Differenze tra buchi neri e buchi bianchi

Molti dei buchi neri conosciuti sono i resti di una stella supergigante che ha subito un collasso interno.

Quando ciò accade, le forze gravitazionali aumentano a tal punto che nulla di ciò che si avvicina potrà sfuggire alla sua influenza, nemmeno la luce.

Ecco perché i buchi neri sono in grado di ingoiare tutto ciò che cade in loro. Al contrario, niente potrebbe entrare in un buco bianco, tutto ne verrebbe respinto o respinto.

L'esistenza di un tale oggetto è possibile? Dopotutto, i buchi neri sono rimasti a lungo come soluzione matematica alle equazioni di campo di Einstein, finché non sono stati rilevati grazie agli effetti gravitazionali e di radiazione che provocano nell'ambiente circostante e recentemente fotografati.

Al contrario, i buchi bianchi sono ancora nascosti ai cosmologi, se esistono davvero.

Storia della sua scoperta

La teoria dell'esistenza dei buchi bianchi è partita dal lavoro di Karl Schwarzschild (1873-1916), un fisico tedesco e il primo a trovare una soluzione esatta alle equazioni di campo relativistiche di Albert Einstein.

Per fare questo, ha sviluppato un modello con simmetria sferica le cui soluzioni hanno delle singolarità, che sono appunto i buchi neri e le loro controparti bianche.

Il lavoro di Schwarzschild non era esattamente popolare, forse essendo stato pubblicato durante la prima guerra mondiale. Ci sono voluti alcuni anni perché due fisici lo affrontassero in modo indipendente negli anni '60.

Nel 1965 i matematici Igor Novikov e Yuval Ne'eman hanno analizzato le soluzioni di Schwarzschild, ma utilizzando un diverso sistema di coordinate.

A quel tempo il termine buco bianco non era ancora stato coniato. Infatti, erano conosciuti come "nuclei in ritardo" ed erano considerati instabili.

Tuttavia, essendo la controparte dei buchi neri, i ricercatori hanno cercato di trovare un oggetto fisico la cui natura fosse compatibile con quella prevista per i buchi bianchi.

Quasar e buchi bianchi

I ricercatori credevano di averlo trovato nei quasar, gli oggetti più luminosi dell'Universo. Questi emettono un intenso flusso di radiazioni rilevabile dai radiotelescopi, proprio come dovrebbe fare un buco bianco.

Tuttavia, all'energia dei quasar è stata infine data una spiegazione più fattibile, relativa ai buchi neri al centro delle galassie. E così i buchi bianchi erano di nuovo come entità matematiche astratte.

Quindi, anche se sono noti, i buchi bianchi hanno ricevuto molta meno attenzione dei buchi neri. Ciò è dovuto non solo al fatto che si ritiene siano instabili, il che mette in dubbio la loro effettiva esistenza, ma anche perché non vi è alcuna ragionevole ipotesi sulla loro possibile origine.

Al contrario, i buchi neri derivano dal collasso gravitazionale delle stelle, un fenomeno fisico che è stato ben documentato.

Possibile ritrovamento di un buco bianco

I ricercatori sono convinti di aver finalmente rilevato un buco bianco in un fenomeno chiamato GRB 060614, avvenuto nel 2006. Questo fenomeno è stato proposto come la prima comparsa documentata di un buco bianco.

GRB 060614 era un lampo di raggi gamma rilevato dallo Swift Observatory di Neil Gehrels il 14 giugno 2006, con proprietà peculiari. Ha sfidato un consenso scientifico precedentemente tenuto sulle origini dei lampi di raggi gamma e dei buchi neri.

Il Big Bang, che alcuni credono fosse un buco bianco supermassiccio, potrebbe a sua volta essere stato il risultato di un buco nero supermassiccio, nel cuore di una galassia sconosciuta situata nel nostro universo genitore.

Una delle difficoltà nell'osservare un buco bianco è che tutta la materia viene espulsa da esso in un unico impulso. Quindi il buco bianco manca della continuità necessaria per essere osservato, mentre i buchi neri hanno abbastanza persistenza per essere visti.

Teoria

Einstein postula che massa, tempo e lunghezza dipendono strettamente dalla velocità del sistema di riferimento in cui vengono misurati.

Inoltre, il tempo è considerato come una variabile in più, con lo stesso significato delle variabili spaziali. Quindi, si parla di spazio-tempo come di un'entità in cui hanno luogo ogni evento e tutti gli eventi.

La materia interagisce con il tessuto dello spazio-tempo e lo modifica. Einstein descrive come ciò avvenga con un insieme di 10 equazioni tensoriali, note come equazioni di campo.

Alcuni concetti importanti nella teoria della relatività

I tensori sono entità matematiche che consentono di considerare la variabile temporale allo stesso livello delle variabili spaziali. I ben noti vettori come forza, velocità e accelerazione fanno parte di questo insieme espanso di entità matematiche.

L'aspetto matematico delle equazioni di Einstein coinvolge anche concetti come la metrica, che è la distanza nello spazio e nel tempo che separa due eventi infinitamente vicini.

Due punti nello spaziotempo fanno parte di una curva chiamata geodetica. Questi punti sono uniti da una distanza spazio-temporale. Una tale rappresentazione dello spazio-tempo si osserva nella figura seguente:

La forma del cono è determinata dalla velocità della luce c, che è una costante in tutti i sistemi di riferimento. Tutti gli eventi devono svolgersi all'interno dei coni. Se ci sono eventi al di fuori di essi, non c'è modo di saperlo, perché le informazioni dovrebbero viaggiare più velocemente della luce per essere percepite.

Le equazioni di campo di Einstein ammettono una soluzione con due singolarità in una regione vuota (cioè senza massa). Una di queste singolarità è un buco nero e l'altra è un buco bianco. Per entrambi esiste un orizzonte degli eventi, che è un confine sferico di raggio finito che circonda la singolarità.

Nel caso dei buchi neri, niente, nemmeno la luce, può uscire da questa regione. E nei buchi bianchi, l'orizzonte degli eventi è una barriera che nulla può penetrare dall'esterno. La soluzione del buco nero nel vuoto è nel cono di luce del futuro, mentre la soluzione del buco bianco si trova nella regione passata del cono di luce.

Le soluzioni delle equazioni di Einstein che includono un vero buco nero richiedono la presenza di materia, e in questo caso la soluzione che contiene il buco bianco scompare. Pertanto, si conclude che come soluzione matematica, nella teoria delle soluzioni singolari senza materia, esistono buchi bianchi. Ma questo non è il caso quando la materia è inclusa nelle equazioni di Einstein.

Come si forma un buco bianco?

Nel 2014, il fisico teorico Carlo Rovelli e il suo team dell'Università di Aix-Marseille in Francia hanno proposto che i buchi bianchi possono derivare dalla morte di un buco nero.

Già negli anni '70, il principale esperto di buchi neri, Stephen Hawking, calcolava che un buco nero perde massa a causa dell'emissione di radiazioni di Hawking.

I calcoli di Rovelli e del suo team indicano che una tale contrazione della perdita di radiazioni da un buco nero potrebbe, nella sua fase finale, produrre un rimbalzo che crea un buco bianco.

Ma i calcoli di Rovelli indicano anche che nel caso di un buco nero con una massa pari a quella del Sole, ci vorrebbero circa un quadrilione di volte l'età attuale dell'Universo per formare un buco bianco.

Buchi bianchi e materia oscura

Un secondo dopo il Big Bang, le fluttuazioni di densità in un Universo in rapida espansione sono state in grado di produrre buchi neri primordiali (senza la necessità di collasso stellare).

Questi buchi neri primordiali sono molti, molti più piccoli di quelli di origine stellare e possono evaporare fino a morire per lasciare il posto a un buco bianco in un tempo compreso nella vita dell'Universo.

I fori bianchi microscopici possono essere molto massicci. Ad esempio, uno delle dimensioni di un granello di polvere può avere una massa maggiore della Luna.

Il team di Rovelli suggerisce persino che questi microscopici buchi bianchi possono spiegare la materia oscura, un altro dei più importanti misteri cosmologici.

I fori bianchi microscopici non emetterebbero radiazioni; e poiché sono più piccoli di una lunghezza d'onda, risultano essere invisibili. Questo potrebbe essere un altro motivo che spiegherebbe perché non sono ancora stati rilevati.

Riferimenti

1. Battersby, S. 2010. I buchi neri eterni sono la massima sicurezza cosmica. Estratto da: newscientist.com.
2. Choi, C. 2018. White Holes potrebbe essere l'ingrediente segreto nella misteriosa materia oscura. Recupero da: space.com.
3. Fraser, C. 2015. Cosa sono i buchi bianchi? Estratto da: phys.org.
4. Maestri, Karen. 2015. Cos'è un buco bianco? Recupero da curioso.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Buco bianco. Estratto da: wikiwand.com