Uno studio teorico dimostra che i buchi neri di Kerr potrebbero amplificare nuove teorie della fisica.

22 settembre 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli , Phys.org

I buchi neri sono regioni dello spazio caratterizzate da una gravità estremamente intensa, che impedisce a tutta la materia e alle onde elettromagnetiche di sfuggirne. Questi affascinanti corpi cosmici sono stati oggetto di innumerevoli studi di ricerca, ma le loro intricate sfumature fisiche devono ancora essere completamente scoperte.

Ricercatori presso l'Università della California-Santa Barbara, l'Università di Varsavia e l'Università di Cambridge hanno recentemente condotto uno studio teorico incentrato su una classe di buchi neri noti come buchi neri di Kerr estremali, che sono buchi neri stazionari non carichi con un orizzonte interno e uno esterno coincidente. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, mostra che le caratteristiche uniche di questi buchi neri potrebbero renderli 'amplificatori' ideali di nuove sconosciute fisiche.

'Questa ricerca ha origine da un progetto precedente avviato durante la mia visita all'UC Santa Barbara', ha detto Phys.org Maciej Kolanowski, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. 'Ho iniziato a discutere di buchi neri molto freddi (così chiamati, estremali) con Gary Horowitz (UCSB) e Jorge Santos (a Cambridge). Presto ci siamo resi conto che in realtà, i buchi neri estremali generici sembrano molto diversi da quanto si pensava in precedenza.'

Nel loro studio precedente, Kolanowski, Horowitz e Santos hanno dimostrato che in presenza di una costante cosmologica i buchi neri estremali sono influenzati da forze di marea infinite. Ciò significa che se degli esseri viventi dovessero cadere nel buco nero, verrebbero schiacciati dalla gravità prima ancora di avvicinarsi remotamente al centro del buco nero. Tuttavia, il team ha dimostrato che se la costante cosmologica è zero, come si assume sia in molti scenari astrofisici, questo effetto svanisce.

'Lo stimolo per il presente articolo è emerso durante il Gravity Lunch settimanale di UC Santa Barbara', ha spiegato Grant Remmen. 'Dopo una conversazione con Horowitz dopo una conferenza sul suo lavoro sulle singolarità dell'orizzonte dei buchi neri, gli ho chiesto se altri effetti potessero dare origine a tali fenomeni. Il mio lavoro precedente sulle teorie campionate effettive (EFT), in particolare lo sviluppo di modelli di fisica con correzioni quantistiche, mi ha dato un'idea. Parlando con Horowitz, mi chiedevo se i termini a derivate superiori in una EFT gravitazionale (cioè correzioni quantistiche alle equazioni di Einstein) potessero portare a singolarità sugli orizzonti dei buchi neri estremi.'

Dopo che Remmen ha condiviso la sua idea con Horowitz, hanno iniziato a collaborare con Kolanowski e Santos, mirando a testare questa idea attraverso una serie di calcoli. Nei loro calcoli, i ricercatori hanno considerato la gravità di Einstein accoppiata alle sue principali correzioni quantistiche.

'Le equazioni di Einstein sono lineari nel tensore di Riemann, un oggetto matematico che descrive la curvatura dello spaziotempo', ha spiegato Remmen. 'In tre dimensioni dello spazio, le correzioni principali a Einstein sono termini che sono cubici (terza potenza) e quartici (quarta potenza) nella curvatura. Poiché la curvatura è una misura delle derivate della geometria dello spaziotempo, tali termini sono chiamati 'termini a derivate superiori'. Abbiamo calcolato l'effetto di questi termini a derivate superiori su buchi neri che ruotano rapidamente.'

I buchi neri estremali ruotano alla massima velocità possibile corrispondente all'orizzonte che si muove alla velocità della luce. I calcoli dei ricercatori hanno mostrato che le correzioni EFT a derivate superiori dei buchi neri estremali rendono i loro orizzonti singolari, con forze di marea infinite. Questo è in netto contrasto con i buchi neri tipici, che hanno forze di marea finite che diventano infinite solo al centro del buco nero.

'Sorprendentemente, le correzioni EFT fanno saltare la singolarità direttamente dal centro del buco nero all'orizzonte, dove non te lo aspetteresti', ha detto Remmen. 'Il valore del coefficiente davanti a un dato termine EFT - le 'impostazioni del selettore' nelle leggi della fisica - è dettato dalle accoppiature e dai tipi di particelle presenti ad alte energie e a distanze brevi. In questo senso, i coefficienti EFT sono sensibili alla nuova fisica.'

Kolanowski, Horowitz, Remmen e Santos hanno anche scoperto che la forza della divergenza delle maree all'orizzonte dei buchi neri estremali e la possibile presenza di singolarità delle maree dipendono pesantemente dai coefficienti EFT. I risultati dei loro calcoli suggeriscono quindi che la geometria dello spaziotempo vicino all'orizzonte di questi buchi neri è sensibile a nuova fisica a energie superiori.

'Interestingly, this unexpected singularity is present for the values of these EFT coefficients generated by the Standard Model of particle physics,' Remmen said.

'Our results are surprising, since they imply that the low-energy description of physics can break down in a situation where you wouldn't expect that to happen. In physics, there's usually a sense of 'decoupling' between different distance scales. For example, you don't need to know the details of water molecules to describe waves using hydrodynamics. Yet for rapidly spinning black holes, that's precisely what happens: the low-energy EFT breaks down at the horizon.'

Overall, the calculations carried out by this team of researchers hint at the promise of extremal Kerr black holes for probing new physical phenomena. While the horizon of these black holes can be very large, it was not expected to have an infinitely large curvature (i.e., infinite tidal forces) in the EFT. Their results show that it does.

'In future work, we are interested in exploring whether the singularities can be resolved by ultraviolet physics,' Remmen added. 'A pressing question is whether the sensitivity of the horizon to new physics persists all the way to the Planck scale, or whether the horizon 'smooths out' at the short-distance scale associated with the EFT. We are also looking for other situations in which short distance effects might show up unexpected at large distances.'

Journal information: Physical Review Letters

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