Nuovi test forniscono prove schiaccianti della materia oscura e della gravità modificata
La scoperta di increspature dello spazio-tempo prodotte dalla collisione di due buchi neri non solo vendica Einstein, ma offre agli astronomi uno strumento per testare la nuova fisica. Le onde gravitazionali potrebbero gettare luce su misteri come l’energia oscura e la materia oscura che esulano dal modello standard. Inoltre, potrebbero aiutare gli astronomi a descrivere la gravità secondo i principi della meccanica quantistica.
Perfezionare la teoria gravitazionale di Einstein
Un’idea che il progetto StronGrHEP ha studiato è quella di estendere la relatività generale di Einstein con una nuova teoria, soprannominata gravità del tensore scalare. Essa suggerisce che l’universo è permeato da un campo extra che deve ancora essere rilevato. Questa ricerca è stata intrapresa con il sostegno del programma delle azioni Marie Skłodowska-Curie. Ciò significherebbe che l’esplosione di una supernova di una stella morente non sarebbe visibile solo come un’esplosione di onde gravitazionali, ma comporterebbe anche una postluminescenza di onde gravitazionali potenzialmente rilevabile. «Dall’osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali (LIGO) potremmo puntare verso le regioni del cielo dove le stelle sono esplose, ad esempio la Supernova di Keplero, per cercare di rilevare una tale postluminescenza dal campo scalare che potrebbe persistere secoli dopo l’esplosione vera e propria», osserva il coordinatore del progetto, Ulrich Sperhake.
I buchi neri come messaggeri delle teorie della gravità modificata
«Quando due buchi neri collidono, si fondono in un unico buco nero che suona come una campana colpita da un martello, emettendo onde gravitazionali. Tali onde gravitazionali contengono frequenze specifiche (toni), che sono simili alle singole note di un accordo musicale. Lo spettro di frequenze di questi toni funge da impronta digitale per identificare un buco nero e la teoria della gravità che ne governa le oscillazioni», spiega Sperhake. I segnali possono essere rilevati dagli astronomi se rimangono al di sopra della soglia di sensibilità di LIGO/VIRGO. Il team del progetto ha calcolato un tale tono dall’orizzonte degli eventi di un buco nero binario, che sarebbe stato più debole di quello rilevato nel 2015. Questa impronta digitale permetterà di cercare o escludere prove di echi di onde gravitazionali derivanti da fenomeni simili ai buchi neri, oggetti esotici compatti come i cunicoli spazio-temporali che non hanno un orizzonte degli eventi. A partire da questi dati è possibile effettuare test approfonditi della teoria gravitazionale e, eventualmente, trovare prove della sua parziale disgregazione. Anche la prima immagine in assoluto di un buco nero ottenuta dall’Event Horizon Telescope nel 2019 potrebbe indicare la gravità modificata. L’immagine corrispondeva alle previsioni teoriche: i buchi neri sono ombre scure circondate da una corona di luce emessa da diverse regioni del disco di accrescimento. L’estrema gravità del buco nero distorce la luce, facendo assomigliare il disco a un elmetto. Il team ha esplorato in dettaglio queste ombre nere sotto il prisma della gravità modificata. Le immagini che ne sono risultate hanno rivelato una struttura notevolmente complessa che ricorda le immagini frattali.
Eminenti candidati alla materia oscura
«Le ombre dei buchi neri potrebbero essere influenzate anche dalla presenza di materia oscura», aggiunge Sperhake. Il team ha elaborato un modello di come potrebbero apparire le ombre se fossero presenti le teoriche particelle subatomiche dell’assione. I campi bosonici molto leggeri sono un’altra classe di candidati interessanti per la materia oscura. Se esistessero, dovrebbero condensarsi attorno a dei buchi neri rotanti, formando delle nuvole. «Proprio come gli oceani sulla Terra, queste nuvole sono colpite dalle maree provenienti da altri corpi massicci. Abbiamo mostrato che quando le maree sono abbastanza forti, le nubi vengono strappate dal buco nero che le ospita, in un violento evento di disturbo delle maree», conclude Sperhake.
Parole chiave
StronGrHEP, buco nero, onde gravitazionali, materia oscura, gravità modificata, modello standard, gravità del tensore scalare
