Eureka! Gli scienziati esplorano i misteri dei buchi neri con hi

I ricercatori dell'Università di Nottingham stanno simulando i buchi neri con un minuscolo vortice all'interno di una campana di elio superfluido

Alla fine di un corridoio anonimo dell'Università di Nottingham c'è una porta etichettata semplicemente: Black Hole Laboratory. All'interno, è in corso un esperimento in una grande vasca da bagno hi-tech che potrebbe offrire uno sguardo unico sulle leggi della fisica che governano la realtà.

Il laboratorio è gestito dalla professoressa Silke Weinfurtner, una pioniera nel campo della gravità analogica, il cui lavoro ha dimostrato sorprendenti parallelismi tra la matematica che descrive i sistemi fluidi sulla Terra e alcuni degli ambienti più estremi e inaccessibili dell’universo.

“È facile lasciarsi intimidire quando si pensa ai buchi neri. Tutti gli effetti previsti attorno ai buchi neri sembrano così bizzarri, così strani, così diversi”, dice. “Allora aiuta a ricordare a te stesso: 'Aspetta un secondo, succede nella mia vasca da bagno. Forse non è poi così strano.'”

In precedenza, il team di Weinfurtner aveva utilizzato la vasca da bagno per studiare la radiazione di Hawking, un processo attraverso il quale si prevede che i buchi neri “evaporano” e alla fine scompaiono. Lei e i suoi colleghi stanno ora lavorando su un simulatore più avanzato, che secondo loro fornirà informazioni ancora più sofisticate sul comportamento dei buchi neri.

"Tutti questi effetti sono tremendamente belli e di fondamentale importanza", afferma. “Ad esempio, un buco nero evapora o rimane lì per l’eternità?”

L'idea di base è che il flusso di fluido lungo uno scarico imita, in senso matematico, la curvatura dello spazio-tempo stesso da parte del campo gravitazionale estremo di un buco nero.

“La fisica si ripete in molti posti. È un insieme di modelli matematici molto universali. E se la matematica è la stessa, la fisica dovrebbe essere la stessa”, dice Weinfurtner. “Per me gli analoghi sono un dono della natura. Esiste un’intera classe di sistemi che possiedono gli stessi processi fisici”.

Weinfurtner ritiene che i paralleli tra le due situazioni possano essere sfruttati per esplorare cosa succede quando interagiscono i campi gravitazionali e i campi quantistici. Questa è stata senza dubbio la ricerca centrale della fisica nel secolo scorso. Le teorie gravitazionali e quantistiche funzionano bene individualmente – e questo è spesso sufficiente per descrivere il mondo che ci circonda perché su larga scala la gravità tende a dominare, mentre su scala atomica dominano gli effetti quantistici.

Ma nei buchi neri, dove molta massa è stipata in una regione molto piccola dello spazio, questi mondi si scontrano e non esiste un quadro teorico che unifichi i due.

"Abbiamo una grande comprensione di entrambe individualmente, ma risulta estremamente difficile combinare queste due teorie", afferma Weinfurtner. “L’idea è che vogliamo capire come si comporta la fisica quantistica, su quella che chiamiamo geometria dello spazio-tempo curvo”.

Nella nuova configurazione, il buco nero è rappresentato da un minuscolo vortice all’interno di una campana di elio superfluido, raffreddato a -271°C. A questa temperatura, l'elio inizia a mostrare effetti quantistici. A differenza dell’acqua, che può ruotare a una gamma continua di velocità, il vortice di elio può ruotare solo a determinati valori fissi. Le increspature inviate attraverso la superficie dell'elio, tracciate con precisione nanometrica dai laser e da una fotocamera ad alta risoluzione, rappresentano la radiazione che si avvicina a un buco nero.

Weinfurtner sta progettando di utilizzare l'apparato per studiare un fenomeno noto come superradianza, una previsione apparentemente paradossale secondo cui la radiazione che arriva nelle vicinanze di un buco nero (senza allontanarsi dall'orizzonte degli eventi) può essere deviata con più energia di quella che aveva sulla superficie. Attraverso questo processo, è possibile estrarre energia da un buco nero, provocandone gradualmente il rallentamento della rotazione.

Questo fenomeno è stato previsto teoricamente, ma mai osservato. Ed è possibile, dice Weinfurtner, che un buco nero rotante possa mostrare effetti quantistici simili a quelli osservati nell’elio superfluido.

Il simulatore potrebbe anche essere utilizzato per fare previsioni sulla radiazione di Hawking e sui segnali di onde gravitazionali inviati attraverso l’universo dalla fusione di buchi neri che possono essere rilevati dal rilevatore di onde gravitazionali LIGO.