Black holes with conical infinity in gravitational caloric theory

Per secoli, la previsione più famosa della teoria della gravità di Einstein è stata il buco nero: una regione di spazio così densa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla sua attrazione. Nella versione standard di questa teoria, questi oggetti sono straordinariamente semplici. Se si conosce quanta massa contengono, si sa quasi tutto il resto su di essi; la loro forma è perfettamente sferica e lo spazio intorno a loro alla fine si stabilizza in uno stato piatto e non curvato che si estende all'infinito. Questa semplicità è confortante, ma lascia aperta una domanda: sono questi gli unici buchi neri possibili, o potrebbero essercene altri che appaiono molto simili da vicino ma si comportano diversamente lontano? Per rispondere a questo, i ricercatori stanno esplorando estensioni della teoria di Einstein, aggiungendo nuovi campi di forza che potrebbero essere esistiti nell'universo primordiale o che potrebbero influenzare il modo in cui il cosmo si espande oggi. Un'idea simile, nota come teoria calorica gravitazionale, introduce un tipo specifico di campo che interagisce con la gravità. Sebbene questa teoria sia stata studiata per i suoi effetti sull'universo nel suo insieme, gli scienziati si sono spesso chiesti se essa permetta buchi neri diversi da quelli standard, o se la teoria costringa tutti i buchi neri ad apparire esattamente come quelli predetti da Einstein.

Un team di fisici della Università Normale di Pechino ha affrontato ora questa questione mappando le possibili forme dei buchi neri in questa teoria estesa. Non si sono limitati a indovinare soluzioni o a eseguire simulazioni informatiche casuali; al contrario, hanno trattato le equazioni che governano questi oggetti come una mappa di un paesaggio, tracciando ogni possibile percorso che un buco nero potrebbe compiere dalla sua superficie fino al bordo dell'universo. La loro analisi rivela che la teoria permette effettivamente l'esistenza di buchi neri diversi da quelli standard, ma con un colpo di scena molto specifico e sorprendente. Questi nuovi buchi neri possono apparire quasi identici a quelli familiari proprio accanto ai loro orizzonti degli eventi e persino fino alla scala del nostro sistema solare, ma terminano in una geometria completamente diversa lontano da essi. Invece di lasciare che lo spazio si appiattisca in un piano infinito e piatto, lo spazio attorno a questi oggetti si avvita in una forma conica.

I ricercatori hanno scoperto che, affinché questi insoliti buchi neri esistano, la teoria deve soddisfare una precisa relazione tra i suoi parametri interni. Quando questa condizione è soddisfatta, la teoria si divide in due possibilità distinte. La prima è il familiare buco nero di Schwarzschild, che è perfettamente piatto a grande distanza. La seconda è una nuova famiglia di buchi neri che possiedono ciò che gli autori chiamano un "infinito conico". Immaginate lo spazio intorno a un buco nero come un foglio di tessuto. Per un buco nero standard, questo foglio giace perfettamente piatto mentre ci si allontana dal centro. Per questi nuovi buchi neri, il foglio rimane piatto per molto tempo, ma alla fine inizia a restringersi, come se fosse stata rimossa o aggiunta una fetta, facendo sì che il tessuto assuma la forma di un cono che si estende all'infinito. Questa forma conica significa che la quantità totale di spazio, o "angolo solido", al limite estremo dell'universo è diversa da quella che ci aspettiamo in un universo piatto. È o leggermente maggiore o leggermente minore del valore standard, a seconda delle impostazioni specifiche della teoria.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente è il modo in cui questi oggetti possono nascondere la loro vera natura. Lo studio mostra che questi buchi neri conici possono rimanere indistinguibili dai buchi neri standard per un intervallo enorme di distanze. Dalla regione violenta appena fuori dall'orizzonte degli eventi fino alle orbite dei pianeti del nostro sistema solare, la gravità che esercitano è quasi identica a quella di un buco nero normale. La differenza diventa evidente solo a distanze cosmiche immense. Il punto in cui lo spazio inizia a curvarsi in un cono dipende dalla forza del nuovo campo sulla superficie del buco nero. Se questo campo è molto debole, la transizione alla forma conica avviene molto lontano, spingendo la "nuova fisica" in un regno che è attualmente impossibile da osservare con i nostri telescopi. Ciò significa che un buco nero potrebbe trovarsi proprio nel nostro vicinato, apparendo e agendo esattamente come quelli che conosciamo, pur nascondendo segretamente una struttura conica che si protende nell'universo profondo.

Il team ha anche esplorato se questi oggetti possano formarsi naturalmente. Hanno identificato un percorso specifico nel loro paesaggio matematico che collega l'orizzonte degli eventi a questo infinito conico, dimostrando che tali soluzioni sono matematicamente coerenti e stabili. Hanno scoperto che l'unico modo per ottenere un universo perfettamente piatto alla fine del percorso è avere un buco nero completamente standard, senza alcun campo aggiuntivo. Se esiste anche solo una traccia di questo nuovo campo, l'universo deve terminare in un cono. Questo esclude l'idea che queste teorie possano facilmente produrre buchi neri "con capelli" che siano piatti all'infinito; la teoria impone una scelta tra il familiare mondo piatto e questo nuovo mondo conico. I ricercatori hanno inoltre osservato che, sebbene queste soluzioni siano matematicamente solide, non sappiamo ancora se la natura le crei realmente. Determinare se una stella in collasso creerebbe naturalmente uno di questi buchi neri conici, o se siano solo curiosità matematiche, richiederà studi futuri che simulino il violento processo di collasso gravitazionale in tempo reale.

Le implicazioni per il modo in cui testiamo la gravità sono sottili ma significative. Poiché questi buchi neri possono mimare quelli standard così da vicino nel nostro vicinato locale, i test tradizionali della gravità, come la misurazione delle orbite dei pianeti o la precessione delle stelle, potrebbero non rilevarli. I ricercatori hanno calcolato che le minuscole variazioni nelle orbite planetarie causate da questi oggetti sarebbero incredibilmente piccole, probabilmente troppo piccole per essere misurate con la tecnologia attuale, a meno che la transizione alla forma conica non avvenga relativamente vicino al buco nero. Tuttavia, il fatto che tali oggetti siano possibili suggerisce che la nostra attuale comprensione della gravità potrebbe essere incompleta negli ambienti più estremi e deboli. Apre la porta a un universo in cui i buchi neri non sono solo sfere semplici e statiche, ma oggetti complessi che portano una firma geometrica nascosta, in attesa di essere rivelata dalle osservazioni delle regioni più distanti dello spazio. Il lavoro conferma che, sebbene la descrizione di Einstein sia robusta, c'è spazio per una varietà più ricca di strutture cosmiche che non abbiamo ancora visto.