Black objects in a five-dimensional swirling spacetime

Nel vasto teatro della fisica moderna, la gravità viene spesso studiata non solo come la forza che mantiene i nostri piedi a terra, ma come una proprietà geometrica dello spazio e del tempo stesso. Per oltre un secolo, il modello standard di questa forza è stata la teoria della relatività generale di Einstein, che descrive il nostro universo come avente quattro dimensioni: tre di spazio e una di tempo. Tuttavia, molte delle teorie più promettenti che tentano di unificare la gravità con la meccanica quantistica, come la teoria delle stringhe, suggeriscono che l'universo possa in realtà possedere più dimensioni di quelle che possiamo percepire. Si pensa che queste dimensioni extra siano ripiegate su se stesse in modo così stretto da non poter essere viste, ma la loro esistenza cambierebbe fondamentalmente il modo in cui la gravità si comporta. Quando i fisici esplorano questi mondi a dimensioni superiori, scoprono che le regole che governano i buchi neri — regioni di spazio così dense che nulla può sfuggirvi — diventano molto più complesse e varie rispetto alla nostra familiare realtà quadridimensionale. Invece di una singola e semplice forma, i buchi neri in dimensioni superiori possono assumere una "zoologia" di forme, inclusi anelli e altre topologie esotiche, sfidando la nostra comprensione di come questi oggetti cosmici nascano e si comportino.

Costruendo su questa base, un recente studio di Adriano Viganò presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Milano ha compiuto un passo significativo in avanti costruendo un nuovo tipo di ambiente cosmico in cinque dimensioni e collocando al suo interno dei buchi neri. I ricercatori si sono concentrati su un background teorico noto come "universo vorticoso". Immaginate un universo che non sia statico, ma che possieda una rotazione inerente, un vortice cosmico generato dalla curvatura dello spazio-tempo stesso. In questo ambiente, il tessuto stesso dello spazio trascina gli osservatori con sé, proprio come una corrente di un fiume trasporta una barca, indipendentemente dal fatto che la barca abbia un motore. Questo concetto è stato esplorato in precedenza in quattro dimensioni, ma il lavoro di Viganò lo estende alle cinque dimensioni, creando un palcoscenico su cui testare il comportamento di oggetti neri complessi. L'obiettivo era vedere se queste condizioni vorticose potessero sostenere buchi neri e anelli stabili, e comprendere come la rotazione dell'universo stesso alteri le proprietà di questi oggetti massicci.

Per raggiungere questo obiettivo, il team ha utilizzato una tecnica matematica che permette di trasformare soluzioni note delle equazioni di Einstein in nuove soluzioni. Sono partiti dal background più semplice possibile, uno spazio piatto a cinque dimensioni, e hanno applicato una specifica trasformazione che introduceva il moto vorticoso. Questo ha creato un nuovo universo rotante che fungeva da sfondo. Hanno poi preso due tipi ben noti di oggetti neri a cinque dimensioni: il buco nero di Myers–Perry, un oggetto sferico rotante, e l'anello nero rotante, un orizzonte a forma di ciambella. Incorporando questi oggetti nel loro universo vorticoso, hanno generato soluzioni interamente nuove che descrivono come questi buchi neri esisterebbero se l'intero cosmo stesse ruotando attorno a loro.

Uno dei controlli più critici in uno studio del genere è garantire che le soluzioni siano fisicamente realistiche e prive di difetti matematici. Nel mondo della fisica teorica, un problema comune con le soluzioni costruite è la comparsa di "singolarità coniche". Queste non sono punti di densità infinita come il centro di un buco nero, ma piuttosto difetti geometrici nel tessuto dello spazio, simili alla punta acuta di un cono dove la superficie non si appiattisce correttamente. Tali difetti renderebbero la soluzione fisicamente impossibile. I ricercatori hanno dimostrato che sia il buco nero vorticoso che l'anello nero vorticoso sono privi di questi difetti. Hanno dimostrato che, regolando attentamente la periodicità delle coordinate angolari — definendo essenzialmente come lo spazio si avvolge su se stesso — la geometria diventa perfettamente liscia. Questo è un risultato notevole perché, in scenari simili in quattro dimensioni, tali difetti sono spesso inevitabili, rendendo i risultati in cinque dimensioni particolarmente robusti e regolari.

Lo studio ha poi approfondito le proprietà fisiche di questi nuovi oggetti, calcolandone la massa e il momento angolare. I risultati hanno mostrato che il background vorticoso altera significativamente questi valori. Per entrambi, il buco nero e l'anello nero, la presenza del parametro di vorticità ha aumentato la loro massa e il loro momento angolare rispetto ai rispettivi corrispettivi in un universo piatto e non rotante. I ricercatori hanno scoperto che il moto vorticoso crea una sorta di competizione tra lo spin dell'oggetto stesso e lo spin dell'universo. Questa interazione impone limiti più severi a quanto momento angolare un buco nero possa possedere. In un universo piatto standard, lo spin di un buco nero è limitato dalla sua massa, ma in questo ambiente vorticoso, il limite diventa ancora più stretto. Man mano che il parametro di vorticità aumenta, lo spin massimo che il buco nero può possedere diminuisce, suggerendo che il vortice cosmico limita la capacità dell'oggetto di ruotare liberamente.

Forse la scoperta più sorprendente è emersa quando il team ha esaminato l'anello nero. In un universo standard a cinque dimensioni e piatto, gli anelli neri soffrono di un problema noto come non unicità. Ciò significa che per un dato insieme di proprietà fisiche, come massa e spin, possono esistere due diversi anelli neri con forme o dimensioni differenti. È come se le leggi della fisica permettessero due risposte diverse alla stessa domanda, il che complica la nostra capacità di prevedere il comportamento di questi oggetti. Tuttavia, quando l'anello nero è stato posto nell'universo vorticoso, questa ambiguità è svanita. I ricercatori hanno scoperto che il background vorticoso ha ripristinato l'unicità: per ogni specifica combinazione di massa e spin, esisteva una sola possibile soluzione di anello nero. Ciò suggerisce che la rotazione dell'universo agisca come una forza stabilizzante, risolvendo la confusione che affligge questi oggetti in un ambiente statico.

I ricercatori hanno anche investigato le "ergoregioni" di questi oggetti, ovvero aree esterne all'orizzonte degli eventi dove il trascinamento dello spazio-tempo è così forte che nulla può rimanere stazionario. Nell'universo vorticoso, queste regioni assumono una struttura complessa. Per il buco nero, l'ergoregione si estende all'infinito e cambia forma a seconda dell'intensità del parametro di vorticità. A bassi livelli di vorticità, l'ergoregione consiste in pezzi disconnessi, ma man mano che la vorticità si intensifica, questi pezzi si fondono in una singola regione continua che circonda il buco nero. Questa evoluzione evidenzia come la rotazione globale dell'universo rimodelli l'ambiente immediato del buco nero, creando un confine dinamico che è molto più intricato di quello che si vede in un cosmo non rotante.

La complessità matematica della soluzione dell'anello nero ha richiesto metodi numerici per analizzare completamente la sua massa e il suo momento angolare, ma i risultati sono stati coerenti con quelli del buco nero. Anche la massa e lo spin dell'anello sono risultati maggiori rispetto al caso piatto, e il rapporto tra queste quantità ha confermato il ripristino dell'unicità. Lo studio conclude che l'universo vorticoso non è solo una curiosità matematica, ma un ambiente stabile e vitale per oggetti neri a dimensioni superiori. Esso offre una nuova prospettiva su come la struttura su larga scala dell'universo possa influenzare le proprietà locali dei suoi abitanti più estremi. Dimostrando che queste soluzioni sono regolari e uniche, il lavoro fornisce un quadro più chiaro della potenziale "zoologia" di oggetti neri in dimensioni superiori e suggerisce che la rotazione del cosmo stesso giochi un ruolo fondamentale nel definire le regole della fisica dei buchi neri.