INTERVISTA AL FISICO TEORICO PAOLO PANI

Quel che resta dell’onda gravitazionale

Quasi tutti danno per scontato che l’evento all’origine del segnale rilevato da LIGO abbia prodotto un buco nero. Ma l’esito potrebbe, almeno in teoria, essere più esotico: per esempio, una stella dal cuore fatto di energia oscura. Media INAF ha intervistato uno dei tre autori d’uno studio, pubblicato oggi su Physical Review Letters, che illustra proprio quest’affascinante ipotesi

Paolo Pani, il fisico teorico intervistato da Media INAF, autore insieme a Vitor Cardoso ed Edgardo Franzin dello studio in corso di pubblicazione su Physical Review Letters

Paolo Pani, il fisico teorico intervistato da Media INAF, autore insieme a Vitor Cardoso ed Edgardo Franzin dello studio in corso di pubblicazione su Physical Review Letters

L’inconcepibile scenario cosmico che ha prodotto l’onda gravitazionale GW 150914 è ormai stato talmente raccontato, visualizzato e animato che quasi comincia ad apparirci “normale”, se non proprio all’ordine del giorno. Un miliardo e trecento milioni d’anni fa, da qualche parte là nel profondo del cosmo, due buchi neri di taglia XL, rispettivamente 36 e 29 volte la massa del Sole, si sono fusi fra loro, dando origine a un “oggetto” di 62 masse solari e riversando le 3 masse solari restanti nella trama dello spaziotempo, scatenando lo tsunami gravitazionale captato da LIGO il 14 nel settembre scorso. Chiaro no?

E invece le cose potrebbero non essere così “semplici”, e soprattutto la ricostruzione dell’evento non è così sicura come la narrazione condivisa degli ultimi mesi pare suggerire. Anzitutto, per dirne una, se fossero due buchi neri non si dovrebbe essere “visto” nulla (ingoiano pure la luce, ricordate?), come in effetti non hanno visto alcunché telescopi spaziali pur molto sensibili alle alte energie, primo fra tutti INTEGRAL. Almeno uno, però, afferma che qualcosa potrebbe aver colto – anche se occorre sottolineare che in questo caso il condizionale è poco, viste le grandi incertezze dell’osservazione e le critiche che stanno circolando in rete, ultima in odine di tempo quella firmata la settimana scorsa da Ethan Siegel su Forbes.

Fra chi sta cercando di esplorare possibili alternative, spicca il trio di fisici teorici del cui lavoro parliamo oggi su Media INAF. Secondo l’articolo appena andato in stampa su Physical Review Letters, firmato da Vitor Cardoso, Edgardo Franzin e dall’italiano Paolo Pani (quest’ultimo in forze al dipartimento di Fisica della Sapienza e all’INFN di Roma), i protagonisti di questa storia potrebbero essere oggetti assai più esotici di “banali” buchi neri. Ma quali oggetti? Per provare a rispondere, Media INAF ha intervistato uno dei tre autori dello studio, Paolo Pani. Se anche voi siete curiosi di scoprirlo, allacciate dunque le cinture di concretezza, per non correre il rischio di venir del tutto disancorati dalla realtà quotidiana, e affrontate con noi un viaggio nel cuore di tenebre di questi oscuri abitanti dell’universo.

Paolo Pani, nel vostro studio avanzate l’ipotesi che all’origine dell’evento GW150914, in alternativa alla fusione di due buchi neri, vi possa essere la fusione di altri tipi di oggetti: quali?

«In realtà, ciò che suggeriamo è che il prodotto finale della fusione possa non essere un buco nero, bensì un qualsiasi altro oggetto molto compatto ma senza orizzonte degli eventi. Il conto esplicito nel lavoro è per un wormhole, ma lo stesso risultato vale per una gravastar».

Una gravastar? Che cos’è?

«Le gravastars e i wormholes fanno parte di quelli che in gergo vengono chiamati “black-hole mimickers”, ossia oggetti che possono essere tanto compatti quanto un buco nero ma che non possiedono l’orizzonte degli eventi. Una gravastar è una stella esotica, la cui forza gravitazionale è bilanciata da un nucleo interno fatto di energia oscura: in pratica, di materia con una pressione negativa. I wormholes sono invece una sorta di tunnel spaziotemporale che connette due regioni distanti del nostro universo o addirittura due universi diversi. Il punto più stretto del tunnel, detto “gola”, è anch’esso, formato da materia esotica, simile a quella delle gravastar.

A tal proposito, vorrei sottolineare che i black-hole mimickers sono alternative molto esotiche e che i buchi neri rimangono decisamente la soluzione più convincente. Lo scopo del nostro lavoro è tuttavia dimostrare che non si può dare per scontato che il segnale rivelato da aLIGO sia proprio quello della fusione di due buchi neri con produzione di un buco nero massivo finale. Tuttavia, rivelazioni future di onde gravitazionali con strumenti più sensibili (come ad esempio aLIGO e aVirgo alla loro sensitività di design o eLISA) potrebbero essere in grado di distinguere fra questi oggetti e un buco nero vero e proprio».

Nel vostro articolo compaiono spesso termini come “light ring” e “ringdown”: di che si tratta?

«Purtroppo sono entrambi termini che difficilmente si traducono con una sola parola. Il ringdown è la fase finale della fusione, nella quale il buco nero prodotto è altamente deformato e vibra come una campana durante il ‘dong’. Probabilmente la traduzione migliore sarebbe ‘fase di assestamento’. L’idea è che, proprio come le note suonate dalla campana dipendono dalle proprietà di quest’ultima (ad esempio dalla forma e dal materiale) le frequenze delle onde gravitazionali del ringdown dipendono dalla natura dell’oggetto, ad esempio dalla sua massa e dal momento angolare, e contengono inoltre informazioni sull’esistenza o meno di un orizzonte degli eventi.

Il light ring è invece un’orbita circolare occupata da fotoni, predetta dalla Relatività Generale per tutti gli oggetti sufficientemente compatti, fra i quali i buchi neri e, appunto, i black-hole mimickers. Per un buco nero coincide con la sua “silhouette”, o quella che chiamano l’ombra (shadow) del buco nero. In pratica è un’orbita alla quale la deflessione della luce, a causa degli effetti di curvatura dello spaziotempo, risulta così accentuata che persino i fotoni ruotano attorno all’oggetto senza caderci dentro. Quello che dimostriamo nel nostro articolo è che qualsiasi oggetto con un light ring (ma senza orizzonte degli eventi) è quasi indistinguibile da un buco nero».

Anche le gravastar ingoiano tutto, luce compresa? E se fossero due gravastar, ad essersi fuse, c’è qualche speranza che un telescopio possa aver colto la controparte elettromagnetica della fusione?

«Le gravastar (così come gli altri black-hole mimickers) ingoiano quasi tutto, nel senso che il redshift di un segnale che parte dalla loro superficie sarebbe elevatissimo, anche se non infinito come nel caso di un buco nero. Tuttavia, a differenza dei buchi neri, tutti questi oggetti esotici sono formati da materia molto compressa: in questo senso sono più simili a stelle di neutroni – sebbene assai più compatti – che a buchi neri. Durante la fusione, questa materia potrebbe interagire ed emettere radiazione elettromagnetica. Studiare questo effetto richiede delle simulazioni numeriche che ancora non sono state mai fatte, ma sulle quali stiamo lavorando».

Perché preferite il modello a gravastar rispetto a quello con i buchi neri, nel vostro paper? Cosa vi ha messo la pulce nell’orecchio?

«Come accennavo prima, il nostro punto di vista è più che altro quello di “avvocati del diavolo”: finché un’ipotesi non è davvero verificata osservativamente, non possiamo escludere altre alternative. Wormholes e gravastars sono oggetti esotici e, da questo punto di vista, i buchi neri sarebbero una soluzione più naturale (pensando ad esempio al famoso rasoio di Occam). Tuttavia, ci sono dei problemi concettuali molto importanti che riguardano i buchi neri. Ad esempio, il paradosso della perdita di informazione di Hawking, o quello più recente dei “firewall”, affliggono i buchi neri ma non sarebbero un problema per wormholes e gravastars. Inoltre, dentro l’orizzonte degli eventi di un buco nero è nascosta una “singolarità di curvatura”, ossia una regione dello spaziotempo in cui la teoria della Relatività Generale cessa di funzionare. Anche se questa regione è a noi inaccessibile (in quanto dentro l’orizzonte), modelli alternativi privi di singolarità sarebbero più semplici da giustificare dal punto di vista teorico. Wormholes e gravastars non hanno problemi di singolarità: sono come stelle ultracompatte, e al loro centro non succede niente di drammatico».

Potrebbero esserci metodi osservativi per mettere alla prova le due ipotesi, quella del buco nero rispetto a gravastar o wormhole intendo dire?

«Per quanto riguarda i metodi osservativi, come dicevo prima i rivelatori di onde gravitazionali hanno la potenzialità di mettere alla prova le due ipotesi. Questo richiede eventi estremamente energetici – ad esempio un evento come GW150914 ma che avvenga più vicino alla Terra – o rivelatori più sensibili. Un grande passo in avanti verrà fatto da eLISA, l’interferometro spaziale che verrà lanciato dalla ESA attorno al 2030. eLISA vedrà il ringdown di buchi neri supermassivi con grande precisione e potrà sicuramente distinguere un buco nero da un black-hole mimicker».

Ma è mai stata “vista”, una gravastar? O parliamo, almeno per ora, solo di oggetti matematici?

«No, tutti i black-hole mimickers sono soluzioni matematiche delle equazioni di Einstein, quindi sono ammessi dalla teoria ma non sono mai stati osservati. L’ipotesi più probabile è che non si formino, ma la domanda alla quale gli scienziati cercano di dare una risposta è: quali sarebbero le osservazioni che permetterebbero di osservare questi oggetti? Le onde gravitazionali sono una di queste, probabilmente l’unica dal momento che per un normale telescopio questi oggetti sono quasi indistinguibili da un buco nero».

Dovendo scommettere, che probabilità darebbe all’ipotesi buchi neri vs. gravastars?

«Molto bassa :) Ma la natura ci ha spesso sorpreso scegliendo la soluzione meno naturale. Inoltre, come scienziato mi sento in dovere di non accettare i paradigmi ma di metterli costantemente alla prova. Come diceva il filosofo Karl Popper, non è possibile dimostrare che una teoria è corretta; tutto quello che si può fare è escludere (o mettere dei limiti) a tutte le alternative possibili, così da accumulare sempre maggiore evidenza sulla teoria mainstream».

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