Uno studio risolve i puzzle nel collasso gravitazionale delle onde gravitazionali.

15 novembre 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I buchi neri sono regioni dello spazio in cui la forza gravitazionale è così forte che nulla può sfuggirvi, nemmeno la luce. Queste regioni affascinanti sono state oggetto di innumerevoli studi, ma alcune delle basi fisiche della loro formazione non sono ancora completamente comprese.

I buchi neri si formano attraverso quello che è noto come collasso gravitazionale. Questo è essenzialmente il contrazione di un oggetto cosmologico, causata dalla sua stessa gravità che attira la materia verso l'interno (cioè verso il centro di gravità dell'oggetto).

Se un oggetto in collasso forma o meno un buco nero dipende dalle proprietà specifiche dell'oggetto. In alcuni casi, un oggetto può essere molto vicino alla soglia, avendo difficoltà a decidere se formare o meno un buco nero. Questo tipo di collasso porta a fenomeni noti come critici.

I fisici hanno cercato di comprendere i fenomeni critici nel collasso gravitazionale da decenni, poiché alcune delle loro proprietà sono condivise da altri sistemi fisici ben noti. Un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters da una collaborazione internazionale di ricerca con sede al Bowdoin College negli Stati Uniti e in altre istituzioni in Germania, Praga, Regno Unito e Portogallo ha trovato un accordo tra tre simulazioni numeriche indipendenti di questi fenomeni e ha risolto alcuni enigmi che perduravano in questa area di studio.

"I fenomeni critici nel collasso gravitazionale, vicini all'inizio della formazione del buco nero, sono stati segnalati per la prima volta da Matt Choptuik circa 30 anni fa", ha detto Thomas W. Baumgarte, uno degli autori dell'articolo, a Phys.org.

"In parte perché questi effetti condividono molte proprietà con i fenomeni critici in altri campi della fisica (ad esempio, le transizioni di fase nella fisica statistica) e in parte perché affrontano questioni fondamentali riguardanti le proprietà della relatività generale, hanno subito attirato l'attenzione di molti ricercatori provenienti da diversi campi della fisica".

Due delle proprietà più affascinanti del collasso gravitazionale critico sono universalità e autosomiglianza. In questo contesto, il termine universalità si riferisce all'idea che indipendentemente da come inizia un calcolo, man mano che l'inizio della formazione di un buco nero si avvicina, la soluzione sarà sempre la stessa. L'autosomiglianza, d'altra parte, significa che questa soluzione universale ripeterà gli stessi modelli man mano che la scala fisica diminuisce.

"Mentre i calcoli di Choptuik riguardavano un cosiddetto campo scalare come sorgente di materia, Andrew Abrahams e Chuck Evans poco dopo hanno segnalato effetti simili per il collasso gravitazionale delle onde gravitazionali (cioè per la pura gravità in assenza di qualsiasi materia)", ha spiegato Baumgarte.

"Un'altra differenza è che Choptuik poteva assumere la simmetria sferica, mentre le onde gravitazionali non possono esistere nella simmetria sferica, quindi Abrahams ed Evans hanno dovuto rilassare l'ipotesi di simmetria sferica. Purtroppo, è stato molto difficile riprodurre questi ultimi risultati, poiché alcuni codici numerici sono completamente falliti in questo caso o hanno fornito risultati che sembravano contraddire quelli di Abrahams ed Evans".

Dopo i risultati apparentemente contraddittori ottenuti negli anni '90, la natura del collasso critico della "pura gravità" è rimasta un mistero irrisolto per quasi tre decenni. Di recente, tuttavia, tre diversi gruppi di ricerca hanno effettuato simulazioni numeriche indipendenti di questo collasso, utilizzando codici sviluppati in modo indipendente.

"Tutti e tre questi codici risolvono le equazioni di Einstein della relatività generale, ma utilizzano strategie numeriche completamente diverse (ad esempio, metodi spettrali rispetto ai metodi delle differenze finite)", ha detto Baumgarte. "Coordinate cartesiane rispetto a coordinate polari sferiche, diverse condizioni di calibrazione, ecc. Tutti e tre i codici fanno anche scelte diverse per la cosiddetta 'condizione di slicing' (cioè adottano scelte diverse per il tasso con cui il tempo avanza nei codici)".

L'obiettivo chiave dello studio recente di Baumgarte e dei suoi colleghi era esaminare collettivamente le tre simulazioni numeriche recentemente effettuate da questi tre diversi gruppi di ricerca. Il loro articolo è quindi stato un sforzo congiunto dei team, mirato a unire i loro sforzi di ricerca indipendenti per far luce sulla natura del collasso gravitazionale.

'As a first finding we report that, despite all the numerical differences, our codes produce completely consistent results for the critical collapse of gravitational waves,' Baumgarte said. ' This gives us confidence that these findings are correct, and not numerical artifacts. Making a suitable choice for the slicing condition turns out to be crucial: a very common other choice, one that has been successful for many other numerical relativity simulations, fails for this case, which explains why some previous attempts to solve this problem failed.'

Notably, in their three independent numerical simulations, the researchers found no evidence supporting the property of universality. In other words, they found that starting the numerical with different initial data resulted in different values while approaching the formation of a black hole.

'Our findings explain another piece of the puzzle,' Baumgarte said. 'Some previous studies had reported differences from the results of Abrahams and Evans, which therefore appeared conflicting, However, those studies also used different initial data. A disagreement between the results therefore constitutes a contradiction only under the assumption of universality—for which we do not see any evidence.'

While the researchers found no evidence of universality, they found approximate evidence of self-similarity. Interestingly, however, unlike that observed in the case of critical collapse in spherical symmetry, the self-similarity they observed did not appear to be exact.

Back in the 1990s, Abrahams and Evans had also reported a non-exact self-similarity. These recent results are thus aligned with previous findings, potentially suggesting that reported departures from an exact self-similarity could be linked to the absence of a spherical symmetry.

The recent work by Baumgarte and his colleagues could soon pave the way for new numerical and theoretical studies aimed at further studying and re-framing the critical collapse of gravitational waves. This could bring physicists closer to unveiling the nature and mysteries of this intriguing physical phenomenon, known to precede the formation of black holes.

'While we believe that our work has resolved several open questions in the context of critical collapse of gravitational waves, several follow-up questions remain,' Baumgarte added. 'For example, we found approximately self-similar solutions for some families of initial data, but not for others, and the nature of the 'threshold solution' for those other families remains unclear.

'It would also be desirable to perform simulations with better fine-tuning to the onset of black-hole formation (e.g., using numerical codes with better resolution and/or other improvements) to explore whether a universal critical solution emerges for fine-tuning that is better than anybody has achieved so far.

'Finally, we plan to investigate what causes the departures from an exact self-similarity and determine if these departures are directly related to the absence of spherical symmetry.'

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