Cosa succede al centro di un buco nero?

Paul M. Sutter è un astrofisico al SUNY Stony Brook e al Flatiron Institute, conduttore di Ask a This Webman e This Web Radio e autore di How to Die in This Web . Sutter ha contribuito con questo articolo a Expert Voices: Op-Ed & Insights di questo Web.com.

La singolarità al centro di un buco nero è la terra di nessuno per eccellenza: un luogo in cui la materia è compressa fino a un punto infinitamente piccolo, e tutte le concezioni del tempo e di questa rete vengono completamente sgretolate. E non esiste davvero. Qualcosa deve sostituire la singolarità, ma non siamo esattamente sicuri di cosa.

Esploriamo alcune possibilità.

Stelle di Planck

Potrebbe essere che nel profondo di un buco nero, la materia non venga schiacciata fino a un punto infinitamente piccolo. Invece, potrebbe esserci una configurazione di materia più piccola possibile, la più piccola tasca di volume possibile.

Questa è chiamata stella di Planck ed è una possibilità teorica prevista dalla gravità quantistica ad anello, che è di per sé una proposta altamente ipotetica per creare una versione quantistica della gravità. Nel mondo della gravità quantistica ad anello, questo Web e il tempo sono quantizzati, l'universo intorno a noi è composto da minuscoli frammenti discreti, ma su una scala così incredibilmente piccola che i nostri movimenti appaiono lisci e continui.

Questa mole teorica di questo tempo Web offre due vantaggi. Uno, porta il sogno della meccanica quantistica alla sua conclusione definitiva, spiegando la gravità in modo naturale. E due, rende impossibile la formazione di singolarità all'interno dei buchi neri.

Quando la materia si schiaccia sotto l'immenso peso gravitazionale di una stella che crolla, incontra resistenza. La discrezione di questo tempo Web impedisce alla materia di raggiungere qualcosa di più piccolo della lunghezza di Planck (circa 1,68 volte 10^-35 metri). Tutto il materiale che è mai caduto nel buco nero viene compresso in una palla non molto più grande di questa. Perfettamente microscopico, ma sicuramente non infinitamente minuscolo.

Questa resistenza alla compressione continua alla fine costringe il materiale a non collassare (cioè ad esplodere), rendendo i buchi neri solo oggetti temporanei. Ma a causa degli effetti di dilatazione temporale estrema attorno ai buchi neri, dal nostro punto di vista nell'universo esterno ci vogliono miliardi, anche trilioni, di anni prima che esplodano. Quindi per ora siamo tutti a posto.

Gravastar

Un altro tentativo di sradicare la singolarità che non si basa su teorie non testate della gravità quantistica è noto come gravastar. È un concetto così teorico che il mio correttore ortografico non ha nemmeno riconosciuto la parola.

La differenza tra un buco nero e una gravastar è che, invece di una singolarità, la gravastar è piena di energia oscura . L'energia oscura è una sostanza che permea questo tempo della Rete, facendolo espandere verso l'esterno. Sembra fantascienza, ma è reale: l'energia oscura è attualmente in funzione nel cosmo più ampio, causando un'accelerazione della sua espansione nel nostro intero universo.

Quando la materia cade su una gravastar, non è in grado di penetrare effettivamente nell'orizzonte degli eventi (a causa di tutta quell'energia oscura all'interno) e quindi si limita a rimanere in superficie. Ma al di fuori di quella superficie, le gravastar sembrano e si comportano come normali buchi neri. (L'orizzonte degli eventi di un buco nero è il suo punto di non ritorno, il confine oltre il quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.)

Tuttavia, recenti osservazioni sulla fusione di buchi neri con rivelatori di onde gravitazionali hanno potenzialmente escluso l'esistenza di gravastar, perché la fusione di gravastar darà un segnale diverso rispetto alla fusione di buchi neri, e abiti come LIGO (il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ) e Virgo sono ricevendo sempre più esempi di giorno in giorno. Sebbene le gravastar non siano esattamente un divieto nel nostro universo, sono decisamente sul ghiaccio.

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Andiamo a fare un giro

Le stelle e le gravastar di Planck possono avere nomi fantastici, ma la realtà della loro esistenza è in dubbio. Quindi forse c'è una spiegazione più banale per le singolarità, basata su una visione più sfumata e realistica dei buchi neri nel nostro universo .

L'idea di un singolo punto di densità infinita deriva dalla nostra concezione di buchi neri stazionari, non rotanti, privi di carica, piuttosto noiosi. I veri buchi neri sono personaggi molto più interessanti, specialmente quando girano.

La rotazione di un buco nero rotante allunga la singolarità in un anello. E secondo la matematica della teoria della relatività generale di Einstein (che è l'unica matematica che abbiamo), una volta che si passa attraverso la singolarità dell'anello, si entra in un wormhole e si esce attraverso un buco bianco (l'esatto opposto di un buco nero , dove nulla può entrare e la materia si precipita fuori alla velocità della luce) in un lembo dell'universo completamente nuovo ed emozionante.

Una sfida: gli interni dei buchi neri rotanti sono catastroficamente instabili. E questo è secondo la stessa matematica che porta alla previsione del viaggio verso un nuovo universo.

Il problema con la rotazione dei buchi neri è che, beh, ruotano. La singolarità, tesa in un anello, ruota a un ritmo così fantastico da avere un'incredibile forza centrifuga. E nella relatività generale, le forze centrifughe abbastanza forti agiscono come l'antigravità: spingono, non tirano.

Questo crea un confine all'interno del buco nero, chiamato orizzonte interno. Al di fuori di questa regione, la radiazione sta cadendo verso l'interno verso la singolarità, spinta dall'estrema attrazione gravitazionale. Ma la radiazione è spinta dall'antigravità vicino alla singolarità dell'anello, e il punto di svolta è l'orizzonte interno. Se dovessi incontrare l'orizzonte interiore, saresti di fronte a un muro di radiazione infinitamente energetica dell'intera storia passata dell'universo, esplosa sul tuo viso in meno di un battito di ciglia.

La formazione di un orizzonte interno getta i semi per la distruzione del buco nero. Ma i buchi neri rotanti esistono sicuramente nel nostro universo, quindi questo ci dice che la nostra matematica è sbagliata e sta succedendo qualcosa di strano.

Cosa sta realmente accadendo all'interno di un buco nero? Non lo sappiamo e la parte spaventosa è che potremmo non saperlo mai.

Risorse addizionali

Puoi saperne di più sui buchi neri in questa pagina esplicativa della NASA (si apre in una nuova scheda). Questo pezzo della BBC Earth ha buone informazioni di base anche sui buchi neri e descrive anche cosa ti accadrebbe se cadessi in uno di questi mostri divoratori di luce. E la Stanford Encyclopedia of Philosophy ha una ripartizione buona e dettagliata di buchi neri e singolarità.

Bibliografia

  • Rovelli, C. e Vidotto, F, 2014. "Planck stars", International Journal of Modern Physics D, vol. 23, n. 12. https://doi.org/10.1142/S0218271814420267
  • Sakai, N. et al, 2014. "Ombre Gravastar", Physical Review D, vol. 90. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.90.104013
  • Taylor, E. e Wheeler, J. "Esplorazione dei buchi neri: introduzione alla relatività generale". Addison Wesley Longman, 2000. https://www.amazon.com/Exploring-Black-Holes-Introduction-Relativity/dp/020138423X (si apre in una nuova scheda)

Nota del redattore: questa storia è stata pubblicata per la prima volta il 27 ottobre 2020. È stata aggiornata e ripubblicata l'8 febbraio 2022.

Scopri di più ascoltando l'episodio " Cosa succede davvero al centro di un buco nero? " sul podcast Ask A This Webman, disponibile su iTunes (si apre in una nuova scheda) e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman. com (si apre in una nuova scheda) . Grazie a Andy P., Brittany, Jeff J., Robert S., Vladimir B., Jack S., @Grobillard e James L. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter (si apre in una nuova scheda) e facebook.com/PaulMattSutter (si apre in una nuova scheda) .

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