Uno studio scopre che gli orizzonti interni dei buchi neri possono essere caricati o scaricati


I buchi neri sono corpi cosmici intriganti e ampiamente studiati con forze di marea estremamente elevate, da cui nemmeno la luce è in grado di sfuggire. Mentre molti studi hanno previsto l’esistenza dei buchi neri, che sono stati anche recentemente rilevati, molte domande su questi corpi cosmici rimangono ancora senza risposta.


I ricercatori dell’Università di Lipsia hanno recentemente condotto uno studio che esamina la polarizzazione del vuoto indotta da un campo scalare quantistico-caricato vicino all’orizzonte interno di un buco nero carico. I risultati delle loro analisi, pubblicati su Physical Review Letters, suggeriscono che all’orizzonte interno di un buco nero carico, la corrente quantica carica potrebbe essere sia positiva che negativa.

La teoria della relatività generale unisce lo spazio e il tempo nel concetto di spazio-tempo e descrive la gravità come una flessione di questo spazio-tempo“, ha detto Christiane Klein, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. “Una delle sue previsioni più importanti sono i buchi neri (cioè le regioni dello spaziotempo da cui nemmeno la luce può sfuggire). Se un buco nero è elettricamente carico o rotante, il suo interno ha una caratteristica interessante: All’interno del buco nero, c’è una superficie con proprietà simili a quelle dell’orizzonte degli eventi (cioè il bordo esterno) del buco nero. Viene quindi chiamato orizzonte interno“.

Essenzialmente, fino all’orizzonte interno di un buco nero, lo spaziotempo e tutto ciò che accade al suo interno può essere previsto teoricamente sulla base della conoscenza dello stato dell’universo in un certo punto del passato, che i fisici chiamano “dati iniziali”. Questa capacità di prevedere lo spaziotempo, nota come determinismo, è una caratteristica importante delle teorie fisiche.

In base alle previsioni teoriche, tuttavia, un osservatore che attraversa l’orizzonte interno di un buco nero potrebbe aggirare la singolarità centrale del buco nero, dove lo spazio e il tempo diventano infinitamente curvi, e uscire nuovamente in un universo diverso. Inoltre, oltre l’orizzonte interno, il determinismo verrebbe teoricamente meno, il che significa essenzialmente che il viaggio di un osservatore non sarebbe più determinato dai cosiddetti dati iniziali.

Nel suo lavoro, intitolato “Radiazione gravitazionale e collasso gravitazionale”, il matematico britannico Roger Penrose ha previsto che questo non accadrebbe, poiché ci sarebbero resti del collasso di un buco nero o altre piccole deviazioni dai dati iniziali dello spaziotempo del buco nero.

Secondo Penrose, queste deviazioni si accumulerebbero vicino all’orizzonte interno e piegherebbero lo spaziotempo vicino all’orizzonte in modo così forte che qualsiasi osservatore che si avvicina ad esso viene distrutto, trasformando l’orizzonte interno in una singolarità“, ha detto Klein. “Questa idea è chiamata la forte congettura della censura cosmica. In letteratura, diversi tipi di buchi neri con orizzonti interni e diverse perturbazioni dei loro dati iniziali sono stati studiati per testare questa congettura e determinare la forza della singolarità all’orizzonte interno“.

Studi recenti hanno scoperto che nei buchi neri carichi all’interno di un universo in espansione, la singolarità può essere abbastanza debole da essere attraversata. Questi risultati hanno infine ispirato alcuni dei ricercatori del team a indagare su cosa accadrebbe se si tenesse conto anche della natura quantistica dei campi gravitazionali e della materia.

Di solito, queste perturbazioni quantistiche sono trascurabilmente piccole”, ha detto Klein. “Si è scoperto che abbastanza vicino all’orizzonte interno, gli effetti quantistici dominano gli effetti classici e sono abbastanza forti da trasformare l’orizzonte interno in una forte singolarità. Questo ha dimostrato che gli effetti quantistici non dovrebbero essere trascurati vicino agli orizzonti interni dei buchi neri e ci ha motivato a dare un’occhiata più da vicino ad altri effetti quantistici in questa regione“.

Poiché un buco nero elettricamente carico può essere formato solo da materia elettricamente carica, Klein e i suoi colleghi hanno deciso di esaminare specificamente la materia quantistica elettricamente carica. Una delle principali firme osservabili di questo tipo di materia è la corrente elettrica che produce. Pertanto, i ricercatori hanno cercato di determinare come questa corrente si comporterebbe in prossimità dell’orizzonte interno di un buco nero.

In studi precedenti si è sostenuto che tali correnti sono dovute principalmente alla creazione spontanea di particelle caricate in modo opposto all’interno del buco nero, che vengono poi accelerate in direzioni opposte”, ha continuato Klein. “Questo avrebbe l’effetto di scaricare la regione del buco nero dietro l’orizzonte interno. Un obiettivo era quello di verificare se questa immagine intuitiva delle particelle è corretta“.

Nel loro recente articolo, i ricercatori hanno considerato uno spazio-tempo che descrive un universo in espansione con un buco nero carico al suo interno. Successivamente, hanno inquadrato la teoria quantistica di campo di un campo scalare carico all’interno di questo ipotetico spaziotempo.

Per il momento, abbiamo ignorato che la presenza del campo quantico dovrebbe alterare lo spaziotempo“, ha proseguito Klein.

Usando il quadro proposto, il team è stato in grado di studiare la corrente elettrica di un campo quantico nell’esempio che hanno considerato. Il loro setup numerico che hanno sviluppato si è basato sui risultati che hanno raccolto in passato.

Abbiamo scoperto che il contributo dominante alla corrente all’orizzonte interno è indipendente dallo stato (cioè, le condizioni iniziali) del campo quantico, purché sia fisicamente ragionevole. Abbiamo scelto uno stato conveniente e abbiamo derivato una formula per la corrente usando le tecniche della teoria quantistica dei campi su spazi curvi. La formula deve essere valutata numericamente per una serie di parametri dello spaziotempo (massa e carica del buco nero e una costante cosmologica che descrive la quantità di espansione dell’universo) e del campo quantico (massa e carica del campo)“.

Gli elementi chiave contenuti nella formula usata da Klein e dai suoi colleghi sono i cosiddetti “coefficienti di dispersione”. Questi sono numeri che descrivono la misura in cui le perturbazioni del campo sono trasmesse nel buco nero o sono riflesse nello spazio. Per calcolare questi coefficienti, Klein e i suoi colleghi hanno usato metodi che hanno sviluppato in uno dei loro studi precedenti.

“La corrente dovrebbe avere sempre lo stesso segno, ma troviamo che il contributo dominante alla corrente all’orizzonte interno può essere sia positivo che negativo, a seconda dei parametri dello spaziotempo e del campo quantico”, ha detto Klein. “Va notato che nella regione dei parametri molto vicina alla carica massima consentita del buco nero (se la carica aumenta ulteriormente, non c’è più orizzonte degli eventi e la singolarità al centro diventa ‘nuda’) la corrente tende sempre a diminuire la carica dell’orizzonte interno. Questo assicura che la sua carica non possa essere aumentata oltre il massimo consentito”.

I risultati delle analisi dei ricercatori sono stati abbastanza sorprendenti, poiché contraddicono la previsione del quadro delle particelle. In contrasto con quello che si aspettavano, i loro risultati prevedono che in determinate circostanze, la carica di un buco nero all’interno dell’orizzonte interno può essere aumentata da effetti quantistici.

Anche se i nostri risultati numerici non possono coprire parametri realistici dello spazio-tempo e del campo quantico, il nostro lavoro dimostra che l’immagine delle particelle è insufficiente per catturare completamente gli effetti quantistici all’interno dei buchi neri“, ha detto Klein.

Oltre a contraddire le previsioni dell’immagine delle particelle, i risultati raccolti da Klein e dai suoi colleghi potrebbero gettare ulteriore luce su risultati consolidati relativi all’orizzonte degli eventi. Infatti, il loro lavoro suggerisce che gli effetti quantistici possono comportarsi in modo molto diverso in prossimità dell’orizzonte interno di un buco nero rispetto all’orizzonte degli eventi, dove ci si aspetta che diminuiscano la carica di un buco nero. Inoltre, i risultati potrebbero ispirare nuovi studi che indagano simili effetti quantistici in ambienti più realistici.

Ci si aspetta che i buchi neri realistici abbiano al massimo una carica elettrica trascurabile, ma un momento angolare significativo (cioè la rotazione)”.

Concludendo, Klein afferma, ”In effetti, si potrebbe considerare i buchi neri carichi come semplici modelli giocattolo per quelli rotanti: condividono molte caratteristiche, come la presenza di un orizzonte interno, ma i buchi neri carichi sono molto più facili da gestire matematicamente. Una futura linea di ricerca che stiamo seguendo è l’estensione dei nostri risultati ai buchi neri rotanti. Sarebbe interessante verificare se gli effetti quantistici possono aumentare la rotazione del buco nero vicino al suo orizzonte interno invece di diminuirla, come ci si potrebbe ingenuamente aspettare“.


Maggiori informazioni:

Christiane Klein et al, “Quantum (Dis)Charge of Black Hole Interiors”, Physical Review Letters (2021).

Vitor Cardoso et al, “Quasinormal Modes and Strong Cosmic Censorship”, Physical Review Letters (2018).

Oscar J C Dias et al, “Strong cosmic censorship for charged de Sitter black holes with a charged scalar field”, Classical and Quantum Gravity (2019).

Vitor Cardoso et al, “Strong cosmic censorship in charged black-hole spacetimes: Still subtle”, Physical Review D (2018).

Stefan Hollands et al, “Quantum instability of the Cauchy horizon in Reissner–Nordström–deSitter spacetime”, Classical and Quantum Gravity (2020).

Stefan Hollands et al, “Quantum stress tensor at the Cauchy horizon of the Reissner–Nordström–de Sitter spacetime”, Physical Review D (2020).

Christiane Klein et al, “Renormalized charged scalar current in the Reissner–Nordström–de Sitter spacetime”, Physical Review D (2021).

Fonte