Decoupled asymmetric thin-shell wormholes

Immaginate l'universo non solo come un palcoscenico per stelle e galassie, ma come un tessuto che può essere piegato, teso e persino perforato. Nel regno della relatività generale, la teoria che descrive come la gravità modelli lo spazio e il tempo, esiste una possibilità teorica chiamata buco di sguincio o wormhole. Pensatelo come un tunnel che collega due punti distanti nel cosmo, offrendo una scorciatoia attraverso l'immensità dello spazio. Per decenni, i fisici hanno saputo che per mantenere tale tunnel aperto e percorribile, sarebbe necessario un tipo di materiale molto strano. Questo materiale dovrebbe spingere verso l'esterno contro la gravità, sfidando le solite regole che governano il comportamento della materia, come il modo in cui una roccia cade o una stella brilla. Questo requisito crea un enigma: sebbene la matematica delle equazioni di Einstein permetta questi tunnel, la materia fisica necessaria per costruirli sembra violare le condizioni energetiche fondamentali che la natura sembra seguire ovunque altrove.

Per studiare queste strutture esotiche senza perdersi nell'impossibile, gli scienziati utilizzano spesso un modello semplificato noto come wormhole a guscio sottile (thin-shell wormhole). Invece di cercare di costruire un tunnel fatto di una sostanza continua e strana, immaginano di tagliare due regioni separate dello spazio e di cucirle insieme in un punto specifico, come se stessero cucendo due pezzi di tessuto. La "cucitura" dove si uniscono è la gola del wormhole. È in questa cucitura che risiede il materiale esotico, mentre il resto dell'universo su entrambi i lati rimane normale. Questo approccio permette ai ricercatori di separare la forma globale del tunnel dalle proprietà specifiche del materiale che lo tiene aperto, trasformando un problema complesso in uno gestibile. La domanda diventa allora: cosa succede se i due lati del tunnel non sono identici? Cosa succederebbe se un lato fosse uno spazio standard, vuoto, e l'altro fosse uno spazio sottilmente alterato da una forza nascosta?

Un team di ricercatori ha recentemente esplorato esattamente questo scenario, costruendo un wormhole in cui i due lati sono fondamentalmente diversi. Su un lato, hanno posto un buco nero standard, una regione di spazio così densa che nulla può sfuggirvi, descritta dalle classiche equazioni di Karl Schwarzschild. Sull'altro lato, hanno utilizzato una versione di quello stesso buco nero che era stata deformata da una specifica tecnica teorica chiamata disaccoppiamento gravitazionale. Questa tecnica permette ai fisici di aggiungere un nuovo livello di complessità a una soluzione nota senza cambiarne le caratteristiche più basilari, come la massa totale o il modo in cui il tempo scorre nelle vicinanze. In questa specifica costruzione, la deformazione è stata causata da un campo scalare, un tipo di energia invisibile, che interagisce con i campi elettromagnetici. I ricercatori hanno scelto una versione di questa interazione in cui la fisica rimanesse "reale" e ben comportata, evitando assurdità matematiche come i numeri immaginari. Il risultato è un tunnel in cui i due ingressi appaiono identici da lontano in termini di massa e tempo, ma lo spazio all'interno di un ingresso è sottilmente diverso dall'altro.

Il team ha scoperto che questa asimmetria crea un affascinante equilibrio di forze. Quando hanno calcolato l'energia totale necessaria per mantenere aperto il tunnel, hanno trovato una precisa relazione matematica tra il materiale esotico sulla cucitura e l'energia strana che riempie il lato deformato del tunnel. Nella versione standard e simmetrica di questi wormhole, il materiale esotico è sempre negativo, il che significa che viola le solite regole energetiche. Tuttavia, in questo nuovo setup asimmetrico, i ricercatori hanno scoperto che se la deformazione è abbastanza forte, l'energia radiale nulla positiva dal lato deformato può effettivamente cancellare l'energia negativa della cucitura. Ciò significa che l'intero sistema, visto nel suo insieme, acquisisce un'energia radiale nulla positiva, anche se la cucitura stessa richiede ancora materia esotica e le condizioni energetiche tangenziali rimangono violate. È come se la complessità nascosta di un lato del tunnel fornisse la spinta necessaria per stabilizzare l'altro, ridistribuendo l'"esoticità" anziché eliminarla.

Questo equilibrio ha un impatto diretto sulla stabilità del wormhole. Un wormhole è utile solo se non collassa nel momento in cui qualcosa tenta di attraversarlo. I ricercatori hanno dimostrato che la stabilità della gola dipende da un flusso specifico di quantità di moto tra la cucitura e lo spazio circostante. Nel caso simmetrico, il tunnel è spesso instabile a meno che il materiale sulla cucitura non si comporti in modi molto specifici e spesso irrealistici. Ma nel loro modello asimmetrico, la deformazione cambia le regole. Hanno scoperto che l'intervallo di condizioni in cui il wormhole rimane stabile è in realtà più ampio, e il punto in cui il tunnel transita da stabile a instabile si sposta più vicino al centro, più in profondamente nella regione dove la luce normalmente orbiterebbe attorno al buco nero. Tuttavia, hanno anche notato che questo dominio di stabilità ampliato non raggiunge mai l'intervallo di stabilità convenzionale in cui il guscio si comporta come materia ordinaria; rimane limitato a risposte più esotiche. Ciò suggerisce che le forze nascoste nel lato deformato rendono il tunnel più robusto contro certe perturbazioni rispetto al caso simmetrico, ma non lo rendono stabile in tutte le condizioni standard.

Lo studio ha anche esaminato cosa accadrebbe se questo wormhole fosse in rotazione. Estendendo il loro modello per includere la rotazione, simile a come ruotano i veri buchi neri, sono stati in grado di calcolare esattamente come la quantità di moto angolare — il spin del sistema — sia condivisa tra la cucitura e lo spazio deformato. Hanno scoperto che la cucitura agisce come un fluido rotante, trasportando una specifica porzione dello spin totale, mentre il resto è trasportato dallo spazio deformato stesso. Questa distribuzione è fissa e precisa, determinata interamente dalla forza della deformazione nel punto in cui i due lati si incontrano. Inoltre, hanno stimato le onde gravitazionali che un wormhole rotante e oscillante di questo tipo emetterebbe. Se la gola dovesse inclinarsi e precessare, come un trottola che ruota leggermente sbilanciata, invierebbe increspature nello spaziotempo. La frequenza di queste increspature dipenderebbe dalla massa e dalle dimensioni del tunnel, ma la forza del segnale sarebbe direttamente scalata dalla deformazione.

In definitiva, questo lavoro fornisce un nuovo modo di pensare a come oggetti esotici potrebbero nascondersi in piena vista. Poiché i due lati del wormhole condividono la stessa massa e le stesse caratteristiche di scorrimento temporale di un buco nero standard, un osservatore lontano non vedrebbe alcuna differenza nella deviazione della luce o nelle orbite delle stelle vicine. L'unico modo per rilevare un tale oggetto sarebbe guardare la dinamica della gola stessa. Se il tunnel oscilla o precessa, emetterà onde gravitazionali a frequenze specifiche. I ricercatori suggeriscono che i futori rilevatori, che stanno diventando sempre più sensibili nel "sentire" questi deboli sussurri dall'universo, potrebbero potenzialmente individuare questi segnali. La firma unica non sarebbe un cambiamento nella frequenza delle onde, ma un cambiamento specifico nella loro ampiezza, un'impronta digitale lasciata dalla deformazione nascosta. Questo offre una via concreta per testare se l'universo possa contenere queste scorciatoie esotiche, non vedendole direttamente, ma ascoltando come vibrano.