Signatures of charged rotating regular black holes: quasinormal modes, grey-body factors and shadows

Per decenni, l'immagine prevalente di un buco nero nel nostro universo è stata definita da un singolo, terrificante difetto: un punto al suo centro esatto dove le leggi della fisica si interrompono. Nei modelli standard della gravità, questo punto, noto come singolarità, è un luogo in cui la densità diventa infinita e lo spazio-tempo si lacera. Sebbene questa stranezza matematica sia nascosta dietro un orizzonte degli eventi, schermando il resto dell'universo dal suo caos, molti fisici sospettano da tempo che la natura non permetta effettivamente tali infiniti. Hanno così proposto i buchi neri "regolari", oggetti teorici che possiedono un orizzonte degli eventi e la familiare attrazione gravitazionale, ma che sostituiscono quel distruttivo punto centrale con un nucleo liscio e finito. La domanda che è rimasta sospesa è se queste versioni più lisce dei buchi neri apparirebbero o si comporterebbero diversamente dai classici modelli che ci aspettiamo, o se sarebbero indistinguibili dai modelli standard.

Uno studio recente di Abhisek Barman Maji, presso l'Indian Institute of Technology Kharagpur, si propone di rispondere a questo quesito creando simulazioni dettagliate di due tipi specifici di questi buchi neri regolari, ora messi in rotazione. Nell'universo reale, i buchi neri ruotano quasi sempre, e questa rotazione trascina con sé il tessuto stesso dello spazio, creando un ambiente complesso che i modelli statici non possono catturare. Il ricercatore ha costruito versioni rotanti di due modelli teorici, noti come buchi neri di Ayón–Beato–García (ABG) e Balart–Panotopoulos–Rincón (BPR), e li ha poi sottoposti a una serie di test per vedere come interagirebbero con il mondo circostante. L'obiettivo era determinare se potessimo distinguere questi oggetti lisci e regolari dai buchi neri singolari standard utilizzando gli strumenti dell'astronomia moderna, come le increspature nello spazio-tempo causate dalle collisioni o le sagome scure proiettate contro lo sfondo di gas incandescente.

Per comprendere ciò che rivelano queste simulazioni, occorre prima comprendere gli strumenti utilizzati per sondarle. Quando un buco nero viene disturbato, ad esempio da una stella passante o da una collisione con un altro buco nero, non si assesta immediatamente. Al contrario, risuona come una campana colpita, emettendo onde gravitazionali a frequenze specifiche che svaniscono nel tempo. Queste sono chiamate modi quasi-normali, e il loro tono e la velocità con cui svaniscono dipendono interamente dalla forma e dalla struttura del buco nero. Lo studio ha calcolato queste frequenze di "risonanza" per i buchi neri regolari rotanti e le ha confrontate con il buco nero rotante standard con carica, noto come buco nero Kerr–Newman. I risultati hanno mostrato un modello sorprendente: il buco nero rotante BPR si comportava quasi esattamente come il modello standard Kerr–Newman. Le loro frequenze di risonanza erano così simili che, a tutti gli effetti, erano gemelli. Tuttavia, il buco nero rotante ABG raccontava una storia diversa. Le sue vibrazioni erano distinte, mutando in modi che lo distinguevano chiaramente dal modello standard, specialmente quando il buco nero ruotava rapidamente o possedeva una carica elettrica significativa.

L'indagine non si è fermata al suono; ha anche esaminato come questi oggetti diffondono luce ed energia. I ricercatori hanno calcolato i "fattori di corpo grigio" (grey-body factors), che descrivono quanta parte di un'onda che si avvicina a un buco nero venga inghiottita rispetto a quanta ne rimbalzi indietro. In questo test, il modello BPR si è dimostrato nuovamente quasi identico al buco nero standard Kerr–Newman, assorbendo e riflettendo le onde nello stesso modo. Il modello ABG, tuttavia, agiva come una barriera più forte, riflettendo più energia ad alcune frequenze e ritardando la transizione verso l'assorbimento totale. Ciò suggerisce che se potessimo misurare con estrema precisione come i buchi neri diffondono le onde, potremmo individuare la firma unica della geometria ABG. Lo studio ha anche esaminato un fenomeno chiamato superradianza, in cui un buco nero rotante può effettivamente amplificare le onde in arrivo, sottraendo energia alla propria rotazione. Anche qui, il modello ABG ha mostrato una soglia diversa per questa amplificazione rispetto agli altri, richiedendo una frequenza più alta per innescare l'effetto.

Forse la parte visivamente più avvincente dello studio riguardava l'"ombra" del buco nero. Quando un buco nero si trova davanti a uno sfondo luminoso, blocca la luce, proiettando una sagoma scura che è leggermente più grande dell'orizzonte degli eventi stesso. Questa ombra è modellata dalle orbite instabili dei fotoni, le particelle di luce che orbitano attorno al buco nero prima di cadere all'interno o di sfuggire. I ricercatori hanno mappato queste ombre per i loro modelli rotanti e le hanno confrontate con le osservazioni effettuate dall'Event Horizon Telescope, lo strumento che ha immortalato la prima immagine dell'ombra di un buco nero. Le simulazioni hanno rivelato che l'ombra del buco nero rotante BPR era virtualmente indistinguibile dall'ombra del modello standard Kerr–Newman. Il modello rotante ABG, invece, produceva una forma sensibilmente diversa. Confrontando queste ombre teoriche con le misurazioni reali dei buchi neri supermassicci M87* e Sgr A*, lo studio è stato in grado di porre limiti rigorosi alla velocità di rotazione e alla carica che questi buchi neri regolari potevano trasportare senza contraddire ciò che osserviamo nel cielo.

La conclusione generale di questo lavoro è un racconto di due diversi esiti. Suggerisce che non tutti i buchi neri regolari sono creati uguali per quanto riguarda l'osservazione. Uno dei modelli testati, il BPR, è così simile al buco nero rotante standard che sarebbe incredibilmente difficile distinguerli utilizzando la tecnologia attuale o quella di un futuro prossimo. Essi risuonano allo stesso modo, proiettano la stessa ombra e diffondono la luce nello stesso modo. L'altro modello, l'ABG, presenta un volto molto più distinto all'universo, con vibrazioni uniche e un'ombra differente che potrebbero potenzialmente essere rilevate. Questa scoperta implica che i dettagli matematici specifici utilizzati per rimuovere la singolarità centrale contano profondamente. Sebbene il requisito che un buco nero sia "regolare" sia un vincolo potente, esso non costringe tutti tali oggetti a apparire uguali. Al contrario, il modo specifico in cui il nucleo viene reso liscio lascia un'impronta digitale sul comportamento del buco nero, offrendo una potenziale via per gli astronomi per distinguere tra diverse teorie della gravità in futuro, a patto che possano misurare le sottili differenze nel modo in cui questi giganti cosmici vibrano e bloccano la luce retrostante.