L’anello riverberante delle fusioni dei buchi neri potrebbe aiutare a mettere alla prova la teoria di Einstein

Elena11 / iStock

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Gli scienziati mirano da tempo a combinare la teoria generale della relatività di Einstein con la nostra comprensione del mondo della meccanica quantistica in una teoria unificata della gravità quantistica.

Per avvicinarsi alla costruzione di questa teoria unificata, gli scienziati devono continuare a mettere alla prova la teoria della relatività.

Ora, due nuovi articoli degli scienziati del Caltech descrivono in dettaglio come possiamo osservare le strutture dei buchi neri e le onde gravitazionali che producono, in modo più dettagliato, così da portarci un passo avanti verso il Santo Graal delle teorie scientifiche.

Gli scienziati del Caltech mirano ad analizzare le osservazioni del buco nero in modo da trovare piccole deviazioni dalla relatività generale che potrebbero suggerire la presenza della gravità quantistica.

Gli articoli, pubblicati su Physical Review X e Physical Review Letters, si concentrano sugli anelli dei buchi neri. Questi non si riferiscono ai caratteristici dischi di accrescimento dei buchi neri, ma all'anello simile a un gong dei buchi neri quando si scontrano l'uno con l'altro durante una fusione.

"Quando due buchi neri si fondono per produrre un buco nero più grande, il buco nero finale suona come una campana", ha spiegato in un comunicato stampa Yanbei Chen, professore di fisica al Caltech e coautore di entrambi gli studi. "La qualità dello squillo, o il suo timbro, potrebbe essere diversa dalle previsioni della relatività generale se alcune teorie della gravità quantistica sono corrette. I nostri metodi sono progettati per cercare differenze nella qualità di questa fase di squillo, come le armoniche e sfumature, per esempio."

Il primo dei due nuovi articoli descrive in dettaglio una nuova singola equazione che descrive il modo in cui i buchi neri suonerebbero sulla base di specifiche teorie della gravità quantistica. Il lavoro si basa su un’equazione sviluppata 50 anni fa da Saul Teukolsky al Caltech, che ha semplificato il processo di comprensione di come la geometria dello spazio-tempo è influenzata dai buchi neri.

"Se si vogliono risolvere tutte le equazioni di Einstein della fusione di un buco nero per simularla accuratamente, è necessario ricorrere ai supercomputer", ha affermato Dongjun Li, studente laureato e co-responsabile del nuovo articolo. "I metodi della relatività numerica sono incredibilmente importanti per simulare accuratamente le fusioni di buchi neri e forniscono una base cruciale per interpretare i dati LIGO. Ma è estremamente difficile per i fisici trarre intuizioni direttamente dai risultati numerici. L'equazione di Teukolsky ci offre uno sguardo intuitivo su cosa sta succedendo nella fase di ringdown."

"La nostra nuova equazione ci consente di modellare e comprendere le onde gravitazionali che si propagano attorno ai buchi neri che sono più esotiche di quanto previsto da Einstein", ha continuato.

Il secondo articolo, invece, descrive un metodo per applicare l'equazione di Dongjun ai dati sulle onde gravitazionali acquisiti dal Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che ha recentemente iniziato la sua quarta osservazione.

Il nuovo metodo utilizza filtri per rimuovere le caratteristiche del suono dei buchi neri previste dalla relatività generale. In questo modo, gli scienziati sperano di essere in grado di rilevare firme sottili legate alla gravità quantistica.

"Inizialmente ero preoccupato che le firme previste dalla mia equazione sarebbero state sepolte sotto i molteplici sovratoni e armoniche; fortunatamente, i filtri di Sizheng possono rimuovere tutte queste caratteristiche conosciute, il che ci consente di concentrarci solo sulle differenze", ha detto Dongjun.

"Lavorando insieme", ha aggiunto Chen, "le scoperte di Li e Ma possono aumentare significativamente la capacità della nostra comunità di sondare la gravità".