Le gravastar potrebbero essere annidate l'una nell'altra come una bambola russa? – Mondo della fisica

Le Gravastars, ipotetiche alternative ai buchi neri, potrebbero finire annidate l'una nell'altra come una matrioska russa, secondo nuovi calcoli che combinano la meccanica quantistica con la teoria generale della relatività di Einstein. Se tali oggetti esotici esistessero, potrebbero rivelare la loro presenza nei segnali delle onde gravitazionali.

I buchi neri si formano dal collasso gravitazionale di una grande stella, o forse di una nube di gas, in una piccola regione dove la gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire.

Nel 2001 i fisici con sede negli Stati Uniti Paolo Mazur ed Emil Mottola ha dimostrato che, in teoria, potrebbe formarsi un altro oggetto da un tale crollo. Lo hanno fatto combinando le equazioni di campo di Einstein – che descrivono come la materia e l’energia influenzano la geometria dello spazio-tempo – con la meccanica quantistica. La loro analisi ha rivelato che le fluttuazioni quantistiche potrebbero impedire la formazione di una singolarità di buco nero durante le fasi finali del collasso gravitazionale, almeno in linea di principio. Piuttosto, si formerebbe un nuovo e bizzarro tipo di oggetto chiamato gravastar.

Nessun orizzonte degli eventi

Gravastar è una contrazione della stella gravitazionale del condensato del vuoto. In un certo senso una gravastar è come un buco nero. Entrambi hanno campi gravitazionali estremamente forti e possono entrambi emettere radiazioni Hawking. Tuttavia, una gravastar non ha una singolarità al suo centro, né ha un orizzonte degli eventi oltre il quale la luce, la materia e l’informazione possono passare ma non tornare mai.

Invece, una gravastar è una bolla dello spazio di de Sitter, che è una descrizione matematica dello spazio pieno di energia negativa. In quanto tale, fornisce un modello semplice coerente con un universo in espansione guidato dall’energia oscura. Nel modello convenzionale della gravastar questa bolla dello spazio di de Sitter è inizialmente creata dalle fluttuazioni quantistiche e delimitata da un guscio di materia infinitesimamente sottile.

“Uno spazio-tempo di de Sitter vuole espandersi ma in una gravastar è circondato da un involucro di materia che invece vuole collassare”, dice Luciano Rezolla, che è titolare della cattedra di astrofisica teorica presso l'Università Goethe di Francoforte. "Bilanciare i due comportamenti opposti porta a una gravastar stabile."

Gravastar nidificate

Ora, Daniel Jampolski, studente laureato di Rezolla, ha trovato una nuova soluzione alle equazioni di campo che descrive come due o più stelle gravitazionali possano essere annidate l'una dentro l'altra come una bambola matrioska cosmica.

Jampolski e Rezolla chiamano questo fenomeno nestar, che è l'abbreviazione di stella annidata. La struttura interna di un nestar sarebbe caratterizzata da una bolla di spazio di de Sitter, circondata da un guscio di materia, che è poi circondato da un altro volume di spazio di de Sitter che è racchiuso da un altro guscio di materia, e così via. Inoltre, anziché essere infinitesimamente sottili, i gusci di materia potrebbero avere uno spessore notevole, arrivando in alcuni casi a coprire praticamente l'intero raggio del nestar.

“Ci sono alcune configurazioni nestar che sono date da un interno di de Sitter infinitesimamente piccolo – solo un punto – seguito da un interno di materia che essenzialmente riempie l’intero nestar, e poi ci sono due gusci sottili vicino alla superficie, uno fatto di spazio di de Sitter –il tempo, l’altro della materia”, racconta Rezzolla Mondo della fisica. “Poiché in questo caso il nestar sarebbe costituito principalmente da materia, la sua formazione potrebbe essere meno esotica rispetto al caso di un interno completo di de Sitter”.

Tuttavia, le gravastar rimangono ipotetiche senza alcuna prova osservativa della loro esistenza, il che dovrebbe indurre a qualche cautela Paolo Pani, professore di fisica teorica all'Università La Sapienza di Roma, che non è stato coinvolto nello studio.

“Una questione fondamentale è in primo luogo come tali soluzioni – gravastar ordinarie o nidificate – possano formarsi dinamicamente, dal momento che attualmente non disponiamo di un modello coerente”, afferma Pani.

Suona come una campana

Tuttavia, non sapere come si formano le gravastar non ne esclude l’esistenza. Potrebbero infatti esistere in sistemi binari compatti che si fondono e producono onde gravitazionali.

Quando due oggetti massicci e compatti (come i buchi neri o le stelle di neutroni) si intrecciano a spirale l'uno nell'altro, trasmettono un segnale distintivo di onde gravitazionali chiamato chirp. Quando gli oggetti si fondono per creare un buco nero, le onde gravitazionali emesse assomigliano al suono sbiadito di una campana colpita. Sia il chirp che il ringdown di tali fusioni sono stati osservati dai rilevatori di onde gravitazionali LIGO-Virgo-KAGRA.

Una tale fusione potrebbe anche creare un gravastar o un nestar, e Jampolski e Rezolla affermano che questi avrebbero segnali distintivi di ringdown. Rezolla aggiunge: “Una nestar risuonerebbe diversamente da una gravastar della stessa massa a causa della sua struttura interna”. Nello specifico, i vari gusci in cui la materia e lo spazio di de Sitter si interfacciano oscillerebbero in un modo particolare, distinto da una normale gravastar.

Con 90 eventi di onde gravitazionali essendo stata rilevata finora, e un'altra serie di osservazioni attualmente in corso, ci sono molti dati in cui cercare una firma gravastar.

"Tutte le osservazioni sulle onde gravitazionali finora sono coerenti con l'ipotesi che gli oggetti siano buchi neri o stelle di neutroni", afferma Pani. "Tuttavia, il ringdown è difficile da misurare con precisione", aggiunge, il che lascia spazio all'incertezza.

Riscaldamento del guscio

Un altro modo in cui una gravastar potrebbe rivelarsi è mediante l'accrescimento di materia sulla sua superficie. Nel caso di un buco nero, la materia e la luce scompaiono oltre l'orizzonte degli eventi, che è ciò che accade Telescopio dell'orizzonte degli eventi ha visto quando ha ripreso le “ombre” dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie M87 e della Via Lattea. Le Gravastar sono diverse in quanto sono senza orizzonte. Mentre parte della materia potrebbe passare attraverso il guscio esterno per essere assorbita dallo spazio-tempo di de Sitter al suo interno, più materia potrebbe avere un impatto sul guscio superficiale, rendendolo più spesso e provocandone il riscaldamento e l’emissione di luce. Se l’Event Horizon Telescope dovesse mai fotografare una gravastar in fase di accrescimento, vedrebbe questa emissione, anche se fortemente spostata verso il rosso a causa della gravità.

Il segnale delle onde gravitazionali di LIGO conferma il teorema dell'area di Hawking

Rezzolla ammette che, anche se la matematica potrebbe funzionare, un modello fisico che descriva come potrebbero esistere nella realtà le gravastar e le nestar ci sfugge ancora.

"Non abbiamo davvero una buona idea su come si formano le gravastar [e] poiché sappiamo così poco sulla materia che costituisce le gravastar, queste ipotesi sono difficili da testare", dice Rezzolla.

Jampolski e Rezzolla descrivono nella rivista la loro nuova soluzione alle equazioni di campo di Einstein Gravità classica e quantistica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/