CRONACA – Pasadena, Stati Uniti – Quando due buchi neri si fondono, lo spazio-tempo che li circonda si solleva e ondeggia come un mare in tempesta. Questa deformazione dello spazio-tempo è talmente complessa che i fisici non sono mai riusciti a capire i dettagli di ciò che avviene veramente. Fino a ora, almeno.
“Abbiamo trovato un modo per visualizzare lo spazio-tempo deformato come mai prima d’oggi”, afferma Kip Thorne, docente emerito di fisica teorica al California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, Stati Uniti.
Combinando teoria e simulazioni al computer, Thorne e i suoi colleghi di Caltech, Cornell University e Istituto nazionale di fisica teorica del Sudafrica hanno messo a punto strumenti concettuali che hanno chiamato linee tendex (che potremmo tradurre, coniando un neologismo, come “linee di tendice“) e linee vortex (cioè, linee di vortice).
Con questi strumenti, hanno scoperto che le collisioni tra buchi neri possono produrre linee di vortice che formano figure a forma di ciambella: queste figure si allontanano come anelli di fumo dal buco nero risultante dalla collisione. I ricercatori hanno scoperto anche che questi fasci di linee di vortice possono allontanarsi dal buco nero muovendosi a spirale, più o meno come l’acqua di un irrigatore da giardino.
I ricercatori hanno illustrato le linee di tendice e di vortice, e le implicazioni di questi concetti per lo studio dei buchi neri, in un articolo pubblicato recentemente sulla rivista Physical Review Letters. Le linee di tendice e di vortice descrivono le forze gravitazionali causate dalla deformazione dello spazio-tempo, e sono analoghe alle linee dei campi elettrico e magnetico che descrivono le rispettive forze.
Le linee di tendice descrivono la forza di stiramento che lo spazio-tempo deformato esercita su tutto ciò che incontra. “Sono le linee di tendice emesse dalla Luna a provocare le maree degli oceani terrestri”, spiega David Nichols, lo studente del Caltech che ha coniato il termine “tendex”. La forza stirante di queste linee strapperebbe letteralmente in due un astronauta che cadesse in un buco nero.
Le linee di vortice, invece, descrivono la torsione dello spazio. Se il corpo di un astronauta fosse allineato con una linea di vortice, si torcerebbe su se stesso come uno asciugamano bagnato.
Quando più linee di tendice sono raggruppate, creano una regione a forte stiramento, detta tendice. Analogamente, un fascio di linee di vortice crea una regione roteante dello spazio, detta vortice. “Qualunque oggetto cada in un vortice comincia a girare in continuazione”, sostiene Robert Owen della Cornell University, primo autore dell’articolo.
Le linee di tendice e di vortice forniscono un nuovo e potente strumento per comprendere i buchi neri, la gravità e la natura dell’universo. “Usando questi strumenti, possiamo interpretare in modo molto più completo l’enorme quantità di dati prodotti dalle simulazioni al computer”, spiega Mark Scheel, ricercatore al Caltech e responsabile del lavoro di simulazione del gruppo.
Attraverso le simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che due buchi neri rotanti che si scontrano tra loro producono diversi vortici e tendici. Se la collisione è frontale, il buco nero nato dalla fusione emette vortici come regioni a forma di ciambella rotante ed espelle tendici come regioni sempre a forma di ciambella, ma stirate invece che rotanti. Se però i buchi neri si muovono a spirale l’uno verso l’altro prima di fondersi, i loro vortici e tendici si muovo a spirale verso l’esterno del buco in fusione. In entrambi i casi, ciambella o spirale, vortici e tendici che si muovono verso l’esterno diventano onde gravitazionali, cioè il tipo di onde che cerca di rilevare l’Osservatorio di onde gravitazionali a interferometro laser (Ligo), che opera al Caltech. “Con tendici e vortici, potremmo riuscire a predire molto più facilmente le forme d’onda delle onde gravitazionali che cerca il Ligo”, sostiene Yanbei Chen, docente di fisica al Caltech e responsabile della sezione teorica del gruppo.
“Benché questi strumenti siano stati sviluppati pensando allo studio delle collisioni tra buchi neri, possono essere applicati ovunque ci siano deformazioni dello spazio-tempo”, afferma Geoffrey Lovelace, membro del gruppo di Cornell. “Credo che diventeranno strumenti standard della relatività generale”. Il gruppo sta già preparando diversi articoli a continuazione del primo, con nuovi risultati. “Non è cosa di tutti i giorni partecipare alla stesura di un articolo in cui tutto sia essenzialmente nuovo”, conclude Thorne. “Ma questo è uno di quei casi”.
