Un fisico che studia i buchi neri ha scoperto che, in un universo in espansione, le equazioni di Einstein richiedono che il tasso di espansione dell’universo all’orizzonte degli eventi di ogni buco nero sia una costante, uguale per tutti i buchi neri. Ciò significa che l’unica energia presente all’orizzonte degli eventi è l’energia oscura, la cosiddetta costante cosmologica.
Lo studio è pubblicato sul server di preprint arXiv.
“Altrimenti“, ha detto Nikodem Popławski, Distinguished Lecturer presso l’Università di New Haven, “la pressione della materia e la curvatura dello spazio dovrebbero essere infinite all’orizzonte, ma questo non è fisico“.
I buchi neri sono un argomento affascinante perché sono le cose più semplici dell’universo: le loro uniche proprietà sono la massa, la carica elettrica e il momento angolare (spin). Tuttavia, la loro semplicità dà origine a una proprietà fantastica: hanno un orizzonte degli eventi a una distanza critica dal buco nero, una superficie non fisica intorno ad esso, sferica nei casi più semplici. Tutto ciò che è più vicino al buco nero, cioè all’interno dell’orizzonte degli eventi, non potrà mai sfuggire al buco nero.
I buchi neri sono stati previsti nel 1916 da Karl Schwarzschild mentre prestava servizio come soldato tedesco sul fronte russo e soffriva di una dolorosa malattia autoimmune della pelle, il pemphigus.
Utilizzando le equazioni della relatività generale di Einstein, ipotizzò un oggetto massiccio, non rotante e perfettamente rotondo in un universo altrimenti vuoto e immutabile e scoprì l’orizzonte degli eventi. Il raggio dell’orizzonte degli eventi è proporzionale alla massa di un buco nero. All’interno dell’orizzonte, nemmeno la luce, l’oggetto più veloce dell’universo, può sfuggire al buco.
Schwarzschild trovò anche un’apparente singolarità al centro del buco nero, un luogo di densità infinita dove le leggi di gravità di Einstein apparentemente si infrangono.
Da allora gli astronomi hanno scoperto che la maggior parte delle galassie sembra avere un buco nero supermassiccio al proprio centro; per la Via Lattea si tratta di Sagittarius A, con una massa di oltre quattro milioni di volte quella del sole. Solo nel 2019 è stato fotografato direttamente un buco nero, un punto nero con un alone di luce intorno, situato al centro della galassia Messier 87, a 55 milioni di anni luce dalla Terra.
Andando oltre Schwarzschild, Popławski ipotizzò un oggetto massiccio e a simmetria centrale in un universo in espansione. In questo caso, la soluzione alle equazioni di Einstein per la struttura dello spaziotempo intorno alla massa fu ottenuta per la prima volta nel 1933 dal matematico e cosmologo britannico George McVittie.
McVittie ha scoperto che in prossimità della massa lo spaziotempo è come quello di Schwarzschild, con un orizzonte degli eventi, ma lontano dalla massa l’universo si espande come quello attuale. Il parametro di Hubble, chiamato anche costante di Hubble, specifica il tasso di espansione dell’universo.
Popławski utilizzò la soluzione di McVittie per trovare che la velocità di espansione dello spazio all’orizzonte degli eventi deve essere una costante, legata solo alla costante cosmologica (che può essere interpretata come la densità di energia del vuoto dello spaziotempo). Oggi la conosciamo come densità di energia oscura. Cioè, l’unica energia all’orizzonte è l’energia oscura. La conseguenza, ha detto, è che le diverse parti dell’universo si espandono a velocità diverse.
In effetti, qualcosa di simile è stato riscontrato con la cosiddetta “tensione di Hubble”, una discrepanza statisticamente significativa tra due diversi valori misurati del parametro di Hubble, a seconda che si utilizzino le misure dell'”universo tardo” o le tecniche dell'”universo primordiale” basate sulle misure del fondo cosmico a microonde. Nel suo lavoro, Popławski afferma che questa discrepanza “è una conseguenza naturale di una corretta analisi dello spaziotempo di un buco nero in un universo in espansione nell’ambito della teoria generale della relatività di Einstein“.
Inoltre, le sue equazioni mostrano che una conseguenza dell’espansione dell’universo a velocità diverse è che la costante cosmologica – e quindi il valore dell’energia oscura – deve essere positiva. Altrimenti, senza questa costante, ha detto Popławski, “un universo chiuso sarebbe oscillatorio e non potrebbe creare vuoti cosmici“.
“È la spiegazione più semplice dell’attuale accelerazione dell’universo“.
Per una stella, ad esempio, l’universo si espande anche al confine della sua superficie, ma il corpo non si espande perché è legato gravitazionalmente ed elettromagneticamente.
Un orizzonte degli eventi, tuttavia, è una cosa matematicamente astratta, non è fatto di materia o di energia, ma semplicemente di punti di spazio, quindi un tasso di espansione costante dello spazio in quel punto non è sorprendente. L’orizzonte degli eventi in sé (e quindi un buco nero) non si espande; i punti dello spazio al di fuori dell’orizzonte si allontanano da esso.
I buchi neri reali ruotano, ma se la rotazione è tipicamente lenta, le conclusioni di Popławski dovrebbero applicarsi anche a loro con buona approssimazione. Ma misurare il parametro di Hubble in un orizzonte degli eventi è attualmente impossibile, a meno che non vengano sviluppate nuove tecniche.
Un osservatore che si trovi all’orizzonte degli eventi potrebbe in linea di principio misurare il parametro di Hubble in quel punto, ma sarebbe per sempre incapace di comunicare il suo valore al resto dell’universo, poiché sta cadendo oltre l’orizzonte degli eventi e nessuna informazione può essere inviata indietro attraverso di esso.
Questo si ricollega, ha detto Popławski, a un’ipotesi che ha pubblicato nel 2010: ogni buco nero è in realtà un wormhole (un ponte di Einstein-Rosen) verso un nuovo universo dall’altra parte del suo orizzonte degli eventi.
“L’orizzonte degli eventi è una porta da un universo all’altro“, ha detto. “Questa porta non cresce con l’espansione dell’universo… Se questo si verifica per l’orizzonte degli eventi del buco nero che forma un universo, dovrebbe funzionare anche per gli orizzonti degli eventi di altri buchi neri in quell’universo“.
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