A new type of multi-branch periodic orbits in dyonic black holes

La gravità è l'architetto invisibile del cosmo, che modella i percorsi di tutto, dalle mele che cadono alla luce delle stelle lontane. Attorno a un buco nero, questa forza diventa così intensa da deformare lo spazio e il tempo in un paesaggio complesso. Per decenni, i fisici hanno studiato come gli oggetti si muovono attraverso questo paesaggio, concentrandosi in particolare sulle "orbite" — i percorsi che una particella segue mentre orbita attorno a un oggetto massiccio. Nella visione standard dei buchi neri, questi percorsi sono prevedibili e ordinati. Se si conoscono l'energia e lo spin di una particella, è possibile calcolare esattamente dove andrà e, per ogni specifico tipo di orbita, esiste solitamente un solo percorso possibile. Questa comprensione è stata la base della nostra conoscenza su come i buchi neri si nutrano di materia e su come facciano increspare il tessuto dello spazio con onde gravitazionali.

Tuttamente, un nuovo studio suggerisce che questa immagine ordinata potrebbe essere incompleta. I ricercatori hanno scoperto che, in certe condizioni, un buco nero può ospitare una realtà molto più strana in cui un singolo tipo di orbita può scindersi in più percorsi distinti. Esaminando un modello teorico specifico di un buco nero che possiede cariche sia elettriche che magnetiche, il team ha scoperto che la geometria dello spazio intorno ad esso può creare delle "valli" nel paesaggio gravitazionale. Queste valli permettono a una particella di stabilizzarsi in orbite diverse che appaiono completamente differenti dall'esterno, ma che condividono lo stesso ritmo fondamentale. Questa scoperta sfida il presupposto di lunga data secondo cui il numero di percorsi che una particella può intraprendere è determinato esclusivamente dal numero di confini, o orizzonti, che circondano il buco nero. Invece, lo studio rivela che la forma dello spazio stesso — se sale e scende in modo fluido o se presenta protuberanze e avvallamenti — è il vero controllore del comportamento orbitale.

I ricercatori, lavorando con un modello teorico noto come elettromagnetismo quasi-topologico, hanno investigato un buco nero che possiede cariche sia elettriche che magnetiche. In questo modello, la forza dell'interazione tra queste cariche e il tessuto dello spazio è controllata da un parametro specifico. Regolando questo parametro, il team è stato in grado di cambiare la forma dello spazio circostante il buco nero senza alterarne la massa o la carica totale. Si sono concentrati su come una particella massiccia, come una piccola stella o un granello di polvere, si muoverebbe in questo ambiente. La chiave della loro indagine è stata il "potenziale efficace", un concetto che descrive l'energia gravitazionale che una particella avverte mentre si avvicina o si allontana dal buco nero. Nella maggior parte dei bui neri noti, questo paesaggio energetico appare come una singola ciotola liscia. Una particella che rotola in questa ciotola può stabilizzarsi in un'unica posizione stabile per una determinata velocità e spin.

Il team ha scoperto che, quando hanno modificato il parametro di interazione, la ciotola liscia poteva trasformarsi in un paesamento con due o persino tre valli separate da colline. Ciò accade perché la funzione metrica, che descrive come lo spazio viene allungato e curvato, smette di salire e scendere in linea semplice e sviluppa invece protuberanze e avvallamenti al di fuori dell'orizzonte degli eventi del buco nero. Quando si verifica questa forma non monotona, il potenziale gravitazionale sviluppa molteplici pozzi. Una particella con la giusta quantità di energia e spin può ora scegliere di orbitare nella valle interna, nella valle centrale o nella valle esterna. Fondamentalmente, i ricercatori hanno dimostrato che queste diverse orbite possono condividere esattamente lo stesso "numero razionale", un'etichetta matematica che descrive il rapporto tra quante volte la particella circonda il buco nero e quante volte si muove avanti e indietro.

Ciò significa che per un singolo, specifico tipo di ritmo orbitale, possono esistere contemporaneamente fino a tre percorsi fisici differenti. Un percorso potrebbe essere un loop stretto, quasi circolare, vicino al buco nero, mentre un altro potrebbe essere un'ellisse altamente allungata che raggiunge lo spazio profondo. Ancora più sorprendentemente, il team ha scoperto che all'aumentare dell'energia della particella, l'orbita più interna può diventare più circolare, mentre le orbite esterne diventano più allungate. Questo è l'opposto di quanto accade nei buchi neri standard, dove l'aggiunta di energia solitamente rende tutte le orbite più eccentriche. Lo studio ha inoltre rivelato che questi molteplici percorsi possono esistere anche quando la particella ha più energia di quella tipicamente richiesta per sfuggire alla morsa del buco nero, un fenomeno che sarebbe impossibile in un paesaggio standard a singola valle.

Una scoperta critica del documento è che questo comportamento complesso non è causato dal numero di orizzonti degli eventi che il buco nero possiede. I ricercatori hanno distinto attentamente tra il numero di orizzonti — i confini da cui nulla può sfuggire — e la forma dello spazio al di fuori di essi. Hanno dimostrato che un buco nero potrebbe avere quattro orizzonti distinti e comportarsi comunque come un buco nero standard con un solo tipo di orbita, a condizione che lo spazio esterno all'orizzonte più esterno rimanga liscio e monotono. Al contrario, un buco nero con uno o due soli orizzonti potrebbe presentare questo comportamento complesso e multi-percorso se lo spazio esterno ad esso è irregolare. Ciò prova che la topologia dell'orbita è dettata dalla geometria dello spazio, non dal conteggio dei confini interni del buco nero.

Le implicazioni di questa scoperta si estendono al modo in cui osserviamo l'universo. Proprio come la luce può formare anelli attorno a un buco nero, creando un "anello di fotoni", l'esistenza di molteplici valli nel paesaggio gravitazionale suggerisce che anche la luce potrebbe formare molteplici anelli. Sebbene lo studio si sia concentrato su particelle massive, gli stessi principi geometrici si applicano alla luce, suggerendo che i futuri telescopi potrebbero vedere più di un anello di luce attorno a certi buchi neri. Inoltre, per l'astronomia delle onde gravitazionali, che ascolta i "chirp" dei buchi neri che si fondono, questa scoperta è significativa. Se un piccolo oggetto sta spiraleggiando verso un buco nero più grande, potrebbe seguire uno di questi molteplici percorsi. Anche se due oggetti sono in orbite che appaiono topologicamente identiche, le loro diverse forme e dimensioni produrrebbero segnali di onde gravitazionali leggermente differenti. Ciò potrebbe fornire un nuovo modo per testare se i buchi neri che osserviamo nell'universo seguono le regole standard della teoria di Einstein o se possiedono queste geometrie più esotiche e multi-valle.

I ricercatori non hanno riscontrato questo comportamento in tutti i buchi neri, ma specificamente in quelli in cui l'interazione tra cariche elettriche e magnetiche crea una specifica distorsione nello spazio. Hanno simulato queste condizioni utilizzando un insieme fisso di parametri, variando solo la forza dell'accoppiamento elettromagnetico. I loro risultati mostrano che quando l'accoppiamento rientra in un certo intervallo, lo spazio esterno al buco nero diventa non monotono, creando le condizioni per queste orbite multiple. Quando l'accoppiamento è al di fuori di questo intervallo, lo spazio si livella e il buco nero ritorna ad avere un unico, standard orbita per ogni dato ritmo. Questo controllo preciso sulla geometria suggerisce che l'universo potrebbe contenere buchi neri molto più dinamici e strutturalmente complessi di quanto immaginato in precedenza, offrendo una nuova finestra sulla natura fondamentale della gravità e dello spaziotempo.