Svelare le proprietà e il comportamento dell’universo nei buchi neri, dove lo spazio-tempo è approssimativamente curvo, ci presenta sfide insolite. Abbiamo a che fare con gli aspetti quantistici della gravità. In esse cerchiamo segni di altre dimensioni oltre le quattro che percepiamo.
Perché pensiamo che potrebbero esistere?
La gravità, una forza così familiare, risulta non adattarsi alle formule classiche della fisica conosciuta. Non possiamo spiegare perché sia così tanto più debole delle altre forze fondamentali. Spiegare questa stranezza, la debolezza della gravità, ci ha portato a cercare quei segnali provenienti da qualche altra dimensione. Queste dimensioni extra potrebbero influenzarla ed essere la ragione della sua debolezza. Pertanto, i getti, di materia espulsa dai buchi neri, possono essere la chiave per trovare segni dell’esistenza di queste dimensioni.
Se troviamo prove di dimensioni esotiche dello spazio-tempo oltre le quattro che percepiamo (tre spaziali e una temporale) potremmo caratterizzare la gravitazione, comprenderla e risolvere alcuni dei misteri più profondi della scienza, tra cui l’espansione dell’universo.
Dimensioni molto grandi o molto piccole
Se esistono altre dimensioni, non dovrebbero avere alcun effetto sulla nostra vita quotidiana. Tuttavia, trattiamo teorie in cui le dimensioni extra dello spaziotempo sono necessarie per unificare la fisica come la conosciamo.
La teoria delle stringhe postula l’esistenza di almeno 10 dimensioni. Si presuppongono le tre dimensioni spaziali conosciute, il tempo e altre sei che dovrebbero formare uno spazio molto molto piccolo o molto molto grande.
Le dimensioni extra potrebbero essere così piccole (sotto la scala di Planck a quasi 10⁻³⁵ metri) da essere impercettibili con la precisione raggiunta dagli esperimenti più avanzati di oggi, come quelli al Large Hadron Collider (LHC). O molto grandi, in modo tale da non avere accesso perché siamo limitati a vivere in un foglio quadridimensionale all’interno di quell’universo di dimensioni extra. È in quest’ultimo scenario che hanno sviluppato un modello per cercare gli effetti delle dimensioni extra sui getti emessi dai buchi neri.
I getti emessi dai buchi neri
Un numero abbondante di buchi neri nell’universo emette fasci di materia relativistica, noti come getti. La precisione con cui i telescopi hanno registrato i dati sui getti di buchi neri negli ultimi due anni è sbalorditiva, ad esempio il James Webb Space Telescope, l’Event Horizon Telescope e l’European Space Observatory.
Con questi dati ottenuti, in una nuova proposta teorica in attesa di pubblicazione (già disponibile in arXiv) hanno analizzato la possibilità degli effetti delle dimensioni extra in questi getti di materia. Poiché ci si aspetta che la gravità occupi tutte le dimensioni esistenti, i suoi effetti potrebbero essere osservati nei getti. In questo modo, i fasci di buchi neri diventano canali particolarmente promettenti per il rilevamento.
Questi modelli saranno la chiave per respingere o confermare l’esistenza di dimensioni extra dello spazio-tempo?
Tracce di altre dimensioni
Per determinare gli effetti delle dimensioni spaziotemporali sui fasci di buchi neri dobbiamo prima costruire soluzioni a questi modelli.
Per fare ciò, hanno creato il primo modello per verificare come la potenziale esistenza di dimensioni aggiuntive influenzerebbe i fasci di buchi neri che osserviamo attualmente. Queste dimensioni extra, se esistessero, influenzerebbero la rotazione del buco nero? Ridurrebbero la sua efficacia nell’emettere fasci di energia?
Applicando il modello, hanno riscontrato due effetti distintivi. Per quanto riguarda la rotazione del buco nero, trovano la stessa dipendenza della 4D e una minore efficienza nel flusso di energia. Ciò significa che poiché i fasci di energia emanati dai buchi neri rotanti si propagano attraverso le cinque dimensioni spazio-temporali del nuovo modello, la loro potenza ha ancora la stessa dipendenza dal parametro di rotazione del buco nero come nelle quattro dimensioni. Pertanto, questo aspetto alquanto inaspettato delle soluzioni non ci permette di distinguere tra quattro o cinque dimensioni. Non ci aiuta a provare l’esistenza di una dimensione extra.
Il secondo effetto è più promettente. Considerando l’esistenza di altre dimensioni, si ha una riduzione dell’efficienza del foro nell’emettere fasci di energia.
Per rispondere alla domanda, è necessario aggiungere un’ulteriore difficoltà. I getti come sono attualmente conosciuti hanno un’efficienza superiore a quella prevista secondo i classici modelli quadridimensionali.
Ciò sembrerebbe implicare che i modelli extradimensionali dovrebbero essere ignorati. Tuttavia, ci sono ancora molti parametri da contrastare. Negli anni a venire, i nuovi telescopi che stanno attualmente raccogliendo dati ci daranno maggiore precisione nel caratterizzare la regione di emissione di massa dei buchi neri. Speriamo quindi di poter testare davvero i modelli teorici delle dimensioni spazio-temporali che hanno creato.
Einstein ha dimostrato l’esistenza dei buchi neri con formule matematiche. Quindi erano solo soluzioni fittizie sulla carta. Decenni dopo, abbiamo potuto provare la loro esistenza anche fotografandoli. Allo stesso modo, modelli teorici di un tipo o dell’altro serviranno a dimostrare l’esistenza di qualche altra dimensione, o la loro non esistenza.
Forse un giorno troveremo la prima porta per un’altra dimensione nel getto di un buco nero.
Autore
Maria Jose Rodriguez, Istituto di Fisica Teorica (IFT – UAM – CSIC)
