Black hole and wormhole branches in gravitational decoupling

La gravità è la forza che modella l'universo sulle scale più grandi, curvando il percorso della luce e il flusso del tempo stesso. Nella nostra attuale comprensione della fisica, questa forza è descritta dalla geometria dello spazio e del tempo, un tessuto che può essere teso, torcitato e deformato dalla materia. Due delle previsioni più estreme di questa teoria sono i buchi neri, regioni in cui la gravità è così forte che nulla può sfuggire, e i wormhole, tunnel teorici che potrebbero connettere parti distanti dell'universo. Per decenni, i fisici hanno trattato questi come categorie separate di oggetti, che spesso richiedono tipi diversi di materia o energia per esistere. Un buco nero è una trappola a senso unico, mentre un wormhole è un ponte che, in teoria, potrebbe essere attraversato. La questione se un singolo processo fisico possa naturalmente portare dall'uno all'altro, dipendendo solo da una specifica impostazione, è rimasta un enigma.

Un nuovo studio condotto da un team di ricercatori in Cile, Cina, Russia e Azerbaigian esplora proprio questa domanda utilizzando una tecnica matematica chiamata disaccoppiamento gravitazionale. Questo metodo permette agli scienziati di prendere una soluzione nota alle equazioni della gravità, come la descrizione di un semplice buco nero non rotante, e di aggiungere un nuovo strato di complessità ad essa. Immaginate di partire da una sfera pulita e perfetta e poi di stirarla delicatamente in una direzione specifica. I ricercatori hanno applicato questa tecnica a un modello standard di buco nero, introducendo una nuova componente invisibile di materia che interagisce con la gravità ma non scambia energia con il buco nero originale. Hanno scoperto che questa singola, coerente aggiunta non si limita a rendere il buco nero leggermente diverso. Al contrario, costringe l'universo a scegliere tra due realtà completamente diverse basandosi su un singolo numero che controlla la forza di questa nuova interazione.

I ricercatori sono partiti dalla classica descrizione di un buco nero, una regione di spazio definita da un confine specifico chiamato orizzonte degli eventi, oltre il quale nulla può tornare. Hanno poi introdotto una funzione matematica che descrive come la nuova materia tenda lo spazio attorno al buco nero. Questa funzione è fissa; non cambia. L'unica variabile è un singolo numero, una forza di accoppiamento, che determina quanto intensamente questa nuova materia influenzi la geometria dello spazio. Quando i ricercatori hanno regolato questo numero, hanno scoperto una netta, inaspettata divisione. Se il numero era superiore a un certo valore critico, il risultato era un familiare buco nero. La nuova materia modificava semplicemente lo spazio intorno all'orizzonte, ma il buco nero rimaneva un buco nero, con un singolo confine e un punto singolare al suo centro.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno abbassato il numero al di sotto di quella soglia critica, la stessa impostazione matematica ha prodotto qualcosa di completamente diverso. Il punto in cui la nuova materia aveva teso così tanto lo spazio da farlo svanire non è rimasto nascosto dietro l'orizzonte del buco nero. Invece, si è spostato verso l'esterno, apparendo nello spazio dove un osservatore potrebbe teoricamente trovarsi. In quella nuova posizione, la geometria dello spazio è crollata in un modo che rendeva impossibile descrivere la regione tra il confine originale del buco nero e questo nuovo punto utilizzando le regole standard della fisica. Il tessuto dello spazio e del tempo ha perso la capacità di distinguere tra passato e futuro in quel vuoto. Poiché questo vuoto non poteva esistere come parte normale dell'universo, l'unico modo per far funzionare la matematica era tagliarlo via interamente.

Quando questa regione proibita viene rimossa, lo spazio rimanente non assomiglia affatto a un buco nero. Invece, forma un ponte. Il nuovo punto in cui lo spazio è svanito diventa la parte più stretta di un tunnel, che connette due universi separati e identici. Questo è un wormhole. I ricercatori hanno dimostrato che questa non è una trasformazione graduale in cui un buco nero si trasforma lentamente in un wormhole. Non esiste un percorso fluido tra i due. Se il numero di accoppiamento è su un lato del valore critico, l'universo è un buco nero. Se è dall'altro lato del valore critico, l'universo è un wormhole. I due risultati sono mutuamente esclusivi; lo stesso ingrediente fisico non può produrre entrambi contemporaneamente, né può produrre una versione ibrida. La scelta è assoluta ed è determinata dal valore di quel singolo numero.

Questa scoperta sfida l'idea che i buchi neri e i wormhole siano solo forme diverse dello stesso oggetto. Lo studio mostra che sono strutture fondamentalmente diverse, come due edifici differenti che possono essere costruiti a partire dagli stessi progetti a seconda di come viene impostato un singolo interruttore. Un edificio ha un seminterrato che conduce a un vicolo cieco, mentre l'altro ha un tunnel che conduce a un secondo edificio. L'interruttore non cambia i materiali; cambia l'intera struttura. I ricercatori hanno anche confermato che, affinché la versione wormhole esista, la nuova materia deve violare una regola fondamentale della fisica nota come condizione di energia nulla. Ciò significa che la materia deve avere proprietà che non si trovano nelle stelle o nei gas ordinari, comportandosi in un modo che permette allo spazio di rimanere aperto invece di collassare. Questo è un requisito noto per i wormhole, e lo studio conferma che questo nuovo metodo produce esattamente quel tipo di materia esotica.

La significatività di questo lavoro risiede nella sua chiarezza. Dimostra che la forma globale dell'universo — se sia una trappola o un ponte — può essere dettata da un semplice parametro nelle equazioni, senza richiedere un cambiamento complesso nella fisica sottostante. I ricercatori non hanno affermato di aver trovato un wormhole nel cielo o di averne costruito uno in laboratorio. Invece, hanno dimostrato che la matematica stessa della gravità contiene un interruttore integrato. A seconda di come viene tarata una specifica interazione, lo stesso punto di partenza conduce a due realtà distinte e non interscambiabili. Ciò fornisce un nuovo modo di pensare a come l'universo potrebbe essere strutturato, suggerendo che la differenza tra un buco nero e un wormhole potrebbe non essere una questione di grado, ma una questione di una singola, decisiva scelta nelle leggi della natura.