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Rotational effects on strongly gravitating systems with matter

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In che modo la rotazione influenza le dinamiche della materia intorno ai buchi neri

Il progetto REGMAT ha studiato l’interazione tra la materia e la rotazione dello spazio tempo grazie a nuovi metodi. I risultati del progetto non solo approfondiscono le nostre conoscenze sui buchi neri, ma hanno anche implicazioni per la ricerca sulla termalizzazione in teorie quantistiche fortemente accoppiate.

Spazio

Quando sono in rotazione, anche le strutture più grandi si deformano leggermente. Prendiamo per esempio il nostro pianeta: presenta un rigonfiamento equatoriale, il che significa che il suo diametro polare è leggermente più piccolo di quello equatoriale. E tutto questo è dovuto alla forza esercitata dalla rotazione. I buchi neri non sono diversi. Alcuni di essi ruotano e gli effetti di questa rotazione possono essere calcolati. O forse no. “In effetti è piuttosto difficile,” dice Jorge Rocha, coordinatore del progetto REGMAT (Rotational effects on strongly gravitating systems with matter) per l’Università di Barcellona. “Quando la rotazione è inclusa nello spazio tempo, la simmetria sferica si perde e il problema diventa più complicato perché sono coinvolte più coordinate. Inoltre i buchi neri sono accompagnati da dischi di accrescimento che introducono deviazioni dalle soluzioni di vuoto conosciute. Dopo la scoperta della più semplice, non rotante, soluzione di buco nero nel 1915, ci sono voluti quasi 50 anni per ottenere la sua corrispondente rotante.” Con la sua ricerca, Rocha intendeva approfondire la nostra comprensione delle dinamiche dei buchi neri in presenza di materia e in particolare l’interazione tra materia e rotazione spazio tempo. E per questo, ha deciso di prendere in considerazione dimensioni più alte. “Con extra direzioni spaziali, lo spazio tempo viene caratterizzato da momenti angolari multipli. Le difficoltà di cui sopra sono ancora presenti, ma c’è un vantaggio fondamentale: quando il numero di direzioni spaziali è pari, è possibile contemplare una classe di spazio tempo (con tutti i momenti angolari uguali) che mostra una grande quantità di simmetria. Anche se non ha la piena simmetria sferica, questo è sufficiente a rendere il problema trattabile.” Il progetto ha usato anche l’ipotesi che la materia fosse compressa in superfici infinitamente sottili. Questa è un’idealizzazione favorevole, perché permette di costruire spazio tempo con materia semplicemente “incollando” geometrie di vuoto precedentemente conosciute. La novità dell’approccio di Rocha risiede nell’uso di metodi (semi-)analitici per studiare la gravità nel regime del campo forte associata a effetti essenziali della rotazione. Questi problemi normalmente devono essere affrontati con esigenti simulazioni numeriche. In due anni di ricerca, Rocha è riuscito a determinare con precisione le anisotropie (diverse pressioni provenienti da direzioni differenti) indotte sulla materia dalla rotazione dello spazio tempo. Un altro risultato significativo riguarda l’ipotesi di censura cosmica: “Si tratta di un problema nella gravità classica di cui si parla da 48 anni. In una versione semplificata, questa congettura di Penrose ipotizza che non si può distruggere un orizzonte di buco nero lasciando una singolarità visibile. I miei studi mi hanno permesso di testare questa congettura in un regime completamente non lineare e in situazioni meno simmetriche rispetto a quanto contemplato in precedenza. Ha anche permesso l’esame di una vasta gamma di casi, variando le dimensioni dello spazio tempo e il tipo di materia presa in considerazione. In ogni caso, si è constatato che la congettura è solida contro tutti i tentativi di violazione,” spiega. I risultati del progetto potrebbero avere conseguenze anche per altri campi della ricerca, per esempio l’equilibrio del plasma anisotropico, tutto grazie alla famosa corrispondenza AdS/CFT. “Questo sembra completamente estraneo, ma questa corrispondenza implica che la fisica gravitazionale classica negli spazio tempo con certe proprietà geometriche – chiamati anti-de Sitter o AdS per brevità – è esattamente equivalente ad alcune teorie di gauge fortemente accoppiate che non includono assolutamente le interazioni gravitazionali,” dice Rocha. Questo significa che la formazione dei buchi neri in AdS corrisponde alla teoria del campo quantistico che raggiunge uno stato termale e, a sua volta, che il metodo di REGMAT per studiare il collasso gravitazionale con rotazione in AdS può far luce sull’equilibrio di plasma anisotropici fortemente interagenti. Questo dovrebbe aiutare a cogliere importanti aspetti del plasma di quark e gluoni osservato presso il Grande collisore di adroni del CERN o presso il Collisore di ioni pesanti relativistico. “È una connessione che ho intenzione di studiare,” conclude Rocha.

Parole chiave

REGMAT, buco nero, rotazione, materia, spazio tempo, gravità, AdS/CFT, plasma anisotropico, CERN, collisore

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