Pasadena, Calif.- Quando i buchi neri si scontrano, lo spazio e il tempo circostante pulsa e ondula come le onde del mare durante una tempesta. Questa deformazione dello spazio e del tempo è così complicata che i fisici non sono mai riusciti a capire i dettagli di ciò che avviene, fino ad ora.
“Abbiamo trovato modi per visualizzare lo spazio-tempo deformato come mai prima”, dice Kip Thorne, Feynman Professor di Fisica Teoretica, Emerito, al California Institute of Technology (Caltech).
Combinando la teoria con le simulazioni al computer, Thorne e colleghi al Caltech, presso la Cornell University e il National Institute for Theoretical Physics in Sud Africa, hanno sviluppato strumenti concettuali che hanno chiamato linee tendex e linee vortex (“tendex lines” e “vortex lines”).
Usando questi strumenti hanno scoperto che le collisioni dei buchi neri possono produrre linee vortex, che creano una forma a ciambella, volando via dal buco nero che si è fuso, come anelli di fumo. I ricercatori hanno anche scoperto che questi gruppi di linee vortex, chiamati vortici, possono muoversi a spirale uscendo dal buco nero come l'acqua da un irrigatore rotante.
I ricercatori spiegano le linee tendex e le linee vortex (e le loro implicazioni per i buchi neri), in un documento scientifico pubblicato online l'11 Aprile nel journal Physical Review Letters. Le linee tendex e vortex descrivono le forze gravitazionali causate dallo spazio-tempo deformato. Sono analoghe alle linee del campo elettrico e magnetico che descrivono le forze elettriche e magnetiche. Le linee tendex descrivono le forze di stiramento che lo spazio-tempo deformato esercita su tutto quello che incontra. “Le linee tendex che arrivano dalla luna alzano le onde degli oceani terrestri”, dice David Nichols, studente laureato del Caltech che ha coniato il termine “tendex”. La forza di stiramento di queste linee strapperebbero a metà un astronauta che cade nel buco nero.
Le linee vortex, d'altra parte, descrivono la torsione dello spazio. Se il corpo di un astronauta si trova allineato con una linea vortex, si torcerebbe come un asciugamano bagnato. Quando molte linee tendex sono raggruppate, creano una regione di forte stiramento detta tendex. Similmente, un gruppo di linee vortex crea una regione turbinante dello spazio detta vortice. “Qualsiasi cosa cada in un vortice inizia a girare di continuo”, dice il Dr.Robert Owen della Cornell University, autore principale del documento.
Linee tendex e vortex forniscono un nuovo potente modo di studio dei buchi neri, della gravità e della natura dell'universo. “Usando questi strumenti, ora possiamo dare un senso migliore alla tremenda quantità di dati prodotti nelle simulazioni al computer”, dice il Dr.Mark Scheel, ricercatore al Caltech e direttore del lavoro di simulazione.
Usando le simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che due buchi neri rotanti che cadono uno nell'altro, producono molte vortex e tendex. Se la collisione è di testa, il buco che si fonde emette vortex come regioni di spazio rotante a forma di ciambella ed espelle tendex come regioni a forma di ciambella di stiratura. Però se i buchi neri si muovono a spirale l'uno verso l'altro prima di fondersi, le vortex e le loro tendex spiraleggiano fuori dal buco che si fonde. In entrambi i casi, ciambella o spirale, le vortex uscenti e i tendex divengono onde gravitazionali, il tipo di onde che si cerca di rilevare con il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).
“Con questi tendex e vortex possiamo riuscire a prevedere più facilmente le forme d'onda delle onde gravitazionali che LIGO ricerca”, dice Yanbei Chen, professore associato di fisica al Caltech e direttore degli sforzi del gruppo teoretico.
Inoltre, tendex e vortex hanno permesso ai ricercatori di risolvere il mistero del calcio gravitazionale di un buco nero fuso al centro della galassia. Nel 2007 un team della Università del Texas a Brownsville, guidato dalla Professoressa Manuela Campanelli, usando le simulazioni al computer, ha scoperto che i buchi neri in collisione possono produrre una scarica diretta di onde gravitazionali che causano un rinculo del buco nero che si unisce, come un fucile che spara una pallottola. Il rinculo è così forte che può lanciare il buco nero fuori dalla sua galassia. Però nessuno ha capito come si produca questa scarica diretta di onde gravitazionali.
Ora, equipaggiato con i nuovi strumenti, il gruppo di Thorne ha trovato la risposta. Da un lato del buco nero, le onde gravitazionali dalle vortex spiraleggianti si uniscono con le onde dalle tendex spiraleggianti. Dall'altro lato, le onde vortex e tendex si annullano tra loro. Il risultato è una scarica di onde in una direzione, che causa il rinculo del buco che si unisce.
“Anche se abbiamo sviluppato questi strumenti per le collisioni del buco nero, possono essere applicati ovunque lo spazio-tempo sia deformato”, dice il Dr.Geoffrey Lovelace, membro del team della Cornell. “Per esempio, mi aspetto che le linee vortex e tendex saranno applicate alla cosmologia, ai buchi neri che distruggono le stelle e alle singolarità che vivono dentro i buchi neri. Diverranno strumenti standard per tutta la relatività generale.”
Il team sta già preparando diversi documenti seguenti con nuovi risultati. “Non ho mai co-prodotto un documento dove tutto è essenzialmente nuovo”, dice Thorne, che ha prodotto centinaia di articoli. “Però questo è uno di quei casi.”
Gli altri autori del documento su Physical Review Letters, “Frame-dragging vortexes and tidal tendexes attached to colliding black holes: Visualizing the curvature of spacetime”, sono il Dr.Jeandrew Brink del National Institute for Theoretical Physics in Sud Africa e i laureati del Caltech Jeff Kaplan, Keith D.Matthews, Fan Zhang e Aaron Zimmerman. Questa ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation, dalla Sherman Fairchild Foundation, dalla Brinson Foundation, dalla NASA e dal David and Barbara Groce Fund.
Scritto da Marcus Woo
Deborah Williams-Hedges
626-395-3227
debwms@caltech.edu
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Immagine in alto: Due vortici a forma di ciambella espulsi da un buco nero pulsante. Al centro troviamo due linee vortice rosse e due blu collegate al buco, che saranno emesse come un terzo vortice a ciambella nella pulsazione seguente.
Credit: The Caltech/Cornell SXS Collaboration
Fonte: http://mr.caltech.edu/press_releases/13410
Vedi: https://www.altrogiornale.org/news.php?item.6723.10