Shadows and amplitude luminosity of an embedded rotating black hole

Nel profondo del cuore del nostro universo, dove la gravità è così intensa che nemmeno la luce può sfuggire, giacciono gli oggetti più estremi conosciuti alla fisica: i buchi neri. Per decenni, la mappa standard per navigare in queste regioni è stata una descrizione matematica chiamata soluzione di Kerr, che prevede come un buco nero rotante deformi lo spazio e il tempo intorno a sé. Questo modello ha servito come fondamento per comprendere come la materia vortichi in questi abissi cosmici e come essi proiettino le loro silhouette scure contro lo sfondo di gas incandescente. Tuttavia, man mano che i nostri telescopi diventano abbastanza potenti da vedere queste ombre in dettaglio, gli scienziati si chiedono se la mappa standard sia l'intera storia. Potrebbe la vera natura di questi oggetti essere influenzata da dimensioni nascoste o effetti geometrici che le nostre teorie attuali non riescono a catturare completamente? Questa domanda guida una nuova indagine sul fatto che le regole familiari dei buchi neri potrebbero necessitare di un leggero aggiustamento per tenere conto della possibilità che il nostro universo quadridimensionale sia immerso in uno spazio più grande a cinque dimensioni.

Un team di ricercatori ha esaminato questo problema con uno sguardo nuovo, trattando la curvatura dello spazio non solo come un risultato della massa, ma come qualcosa che può essere plasmato da come il nostro universo si colloca all'interno di questo "bulk" multidimensionale. Si sono concentrati su un tipo specifico di buco nero rotante, utilizzando una versione modificata delle equazioni standard che permette queste influenze geometriche extra. Eseguendo simulazioni al computer dettagliate, hanno tracciato i percorsi dei raggi di luce mentre danzavano attorno a questi buchi neri teorici, calcolando esattamente come le ombre apparirebbero a un osservatore distante. Il loro obiettivo era vedere se questi nuovi modelli producessero immagini diverse dalle previsioni standard, o se potessero ancora spiegare i dati reali che abbiamo già raccolto.

I risultati di queste simulazioni mostrano che il nuovo modello produce l'ombra di un buco nero che è notevolmente simile a quella che abbiamo già osservato nella galassia M87. Nelle simulazioni, l'ombra appare come una regione centrale scura circondata da un anello luminoso di luce, una forma che corrisponde alle immagini catturate dall'Event Horizon Telescope. I ricercatori hanno scoperto che la dimensione di questa ombra e il modo in cui la luce è distribuita attorno ad essa si allineano strettamente con il modello standard, anche quando vengono inclusi gli effetti geometrici extra. Ciò suggerisce che le attuali osservazioni non siano ancora abbastanza sensibili da distinguere tra un buco nero standard e uno influenzato da questi effetti multidimensionali. Le simulazioni indicano che l'influenza extra agisce come una sottile forza di marea, alterando leggermente le condizioni necessarie per la formazione dell'orizzonte degli eventi del buco nero, ma non abbastanza da cambiare drasticamente l'aspetto dell'ombra nel modo in cui possiamo attualmente vederlo.

Nonostante la somiglianza visiva, lo studio rivela che questi effetti geometrici nascosti cambiano la fisica interna del buco nero in modi misurabili. I ricercatori hanno scoperto che la presenza di questa dimensione extra rende leggermente più difficile per un buco nero ruotare alla sua velocità massima possibile senza autodistruggersi. Nel modello standard, un buco nero può ruotare fino a un certo limite prima che l'orizzonte degli eventi scompaia, ma in questo nuovo quadro, quel limite viene raggiunto un po' prima. Ciò significa che, se potessimo misurare lo spin di un buco nero con estrema precisione, potremmo eventualmente scoprire che sta ruotando leggermente più lentamente di quanto consentirebbe il modello standard, un indizio che potrebbe puntare all'influenza della dimensione extra. Lo studio ha anche calcolato come la massa del buco nero si comporta vicino al suo centro, scoprendo che gli effetti geometrici extra creano una forza repulsiva che contrasta la gravità su scale molto piccole, potenzialmente impedendo la formazione di una singolarità dove la fisica si interrompe.

I ricercatori hanno anche esaminato come la luce del buco nero apparirebbe a un interferometro, un tipo di telescopio che combina i segnali di più antenne per creare un'immagine ad alta risoluzione. Hanno simulato l'"ampiezza di visibilità", ovvero un modo per misurare la chiarezza e la struttura dei pattern di luce. Le loro simulazioni hanno mostrato che i pattern di frange chiare e scure prodotti dal loro modello sono molto simili a quelli visti nei dati reali di M87. Lo studio conclude che, sebbene il nuovo modello si adatti alle osservazioni attuali altrettanto bene del modello standard, esso offre una spiegazione diversa della geometria sottostante. La dimensione extra introduce un parametro che agisce come una carica nascosta, modificando le proprietà del buco nero senza distruggere la forma familiare della sua ombra. Ciò significa che saranno necessari telescopi futuri, ancora più potenti, per rilevare le sottili deviazioni che distinguono questo modello da quello classico. Per ora, l'universo continua a sembrare composto dai buchi neri standard che conosciamo, ma la possibilità rimane che la vera natura di questi oggetti sia scritta in un linguaggio che include dimensioni che non possiamo ancora vedere.