SISTEMI QUANTISTICI MACROSCOPICI

Buchi neri e atomi gravitazionali

Uno studio pubblicato su Physical Review Letters suggerisce che l'analogia tra atomi ordinari e gravitazionali – buchi neri circondati da una nuvola di particelle con massa molto bassa – è più profonda della semplice somiglianza nella struttura e che tale somiglianza può essere sfruttata per scoprire nuove particelle con i prossimi interferometri per onde gravitazionali. Ne parliamo con uno degli autori, il 24enne Giovanni Maria Tomaselli

     20/06/2022
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Giovanni Maria (“Gimmy”) Tomaselli, 24enne nato a Benevento. Appassionato di scienza fin dalla tenera età, negli anni del liceo ha partecipato alle Olimpiadi della matematica e a quelle della fisica. Dopo aver studiato fisica alla Scuola Normale Superiore di Pisa, si è poi spostato all’Università di Amsterdam per proseguire gli studi come dottorando. Crediti: G.M.Tomaselli

Generalmente si pensa che i buchi neri inghiottiscano tutte le forme di materia ed energia che li circondano. Tuttavia, è noto da tempo che possono anche perdere parte della loro massa attraverso un processo chiamato superradiance – superradianza, in italiano – efficace solo nel caso in cui in natura esistano nuove particelle con massa molto bassa, non ancora osservate ma previste da diverse teorie al di fuori del Modello standard della fisica delle particelle.

Quando la massa viene estratta da un buco nero tramite la superradianza, forma una grande “nuvola” attorno al buco nero, creando un cosiddetto atomo gravitazionale. In una pubblicazione apparsa recentemente su Physical Review Letters, un team composto dai fisici Daniel Baumann, Gianfranco Bertone e Giovanni Maria Tomaselli dell’Università di Amsterdam e da John Stout dell’Università di Harvard suggerisce che l’analogia tra atomi ordinari e gravitazionali è più profonda della semplice somiglianza nella struttura, e che tale somiglianza può essere sfruttata per scoprire nuove particelle con i prossimi interferometri di onde gravitazionali.

Media Inaf ne ha parlato con Tomaselli, 24enne nato a Benevento, che dopo aver studiato fisica alla Scuola Normale Superiore di Pisa si trova ora all’Università di Amsterdam per proseguire gli studi come dottorando.

Tomaselli, cosa sono gli atomi gravitazionali?

«Atomo gravitazionale è il nome che diamo a un ipotetico sistema composto da un buco nero e da una “nuvola” attorno a esso, composta da un tipo di particella teorizzata ma mai osservata. Chiamiamo queste particelle bosoni ultraleggeri, assioni, oppure simil-assioni. Queste particelle hanno una massa molto piccola, e questa caratteristica fa sì che manifestino comportamenti quantistici anche a distanze molto grandi, quali appunto le dimensioni dei buchi neri. Questo sistema quantistico macroscopico è matematicamente equivalente ad un sistema quantistico microscopico molto più familiare: l’atomo di idrogeno. Nel nostro caso, il buco nero gioca il ruolo del protone, la nuvola di assioni gioca il ruolo dell’elettrone, e l’attrazione elettromagnetica è sostituita da quella gravitazionale. Ecco perché “atomo gravitazionale”».

In che modo fanno emettere un buco nero?

«Una domanda legittima è come possa formarsi un atomo gravitazionale, per la quale abbiamo una risposta precisa ma controintuitiva. Si pensa generalmente che i buchi neri possano solo “mangiare”, e non “emettere” niente. Ciò è vero solo a metà: è in realtà possibile estrarre un po’ di energia da un buco nero, purché esso ruoti su sé stesso. Questo processo fu scoperto da Sir Roger Penrose, e va sotto il nome di superradiance (che non cercherò di tradurre in italiano) quando a compierlo sono i bosoni ultraleggeri che menzionavo prima. La massa estratta del buco nero va a finire in questa nuvola che lo circonda. Il bello della superradiance è che è in un certo senso inevitabile: dato un buco nero rotante e un bosone della massa giusta, la formazione della nuvola è solo una naturale conseguenza».

Un atomo nel cielo. Se esistessero nuove particelle ultraleggere, i buchi neri sarebbero circondati da una nuvola di tali particelle che si comporta in modo sorprendentemente simile alla nuvola di elettroni in un atomo. Quando un altro oggetto pesante spiraleggia e alla fine si fonde con il buco nero, l’atomo gravitazionale viene ionizzato ed emette particelle proprio come vengono emessi gli elettroni quando la luce colpisce un metallo. Crediti: Uva, Baumann et al.

Che impatto ha questo processo di emissione sull’evoluzione dei buchi neri?

«La superradiance lascia la sua firma in diversi modi. Per esempio, oltre a ridurne la massa, riduce anche la velocità con cui i buchi neri ruotano su sé stessi. Ciò che noi abbiamo studiato in questo articolo (scritto con i professori D. Baumann e G. Bertone dell’Università di Amsterdam, più J. Stout dell’Università di Harvard) è invece il caso in cui l’atomo gravitazionale sia parte di un sistema binario, cioè abbia, ad esempio, un altro buco nero che gli orbita attorno. In genere questi sistemi spiraleggiano a causa dell’emissione di onde gravitazionali, e infine si fondono in un unico buco nero più grande. Se invece la nuvola di bosoni ultraleggeri è presente, il modo in cui i due buchi neri spiraleggiano viene cambiato completamente: buona parte dell’energia del sistema viene usata per distruggere parte della nuvola, portando i buchi neri a fondersi più rapidamente. Abbiamo chiamato questo processo “ionizzazione”, perché è matematicamente molto simile alla ionizzazione dell’atomo di idrogeno».

È possibile dimostrare sperimentalmente che sta avvenendo?

«A partire da quasi otto anni fa, siamo in grado di rilevare e misurare le onde gravitazionali emesse da sistemi binari che spiraleggiano e si fondono. Se riuscissimo a misurarle per un intervallo di tempo sufficientemente lungo, potremmo scoprire abbastanza facilmente la firma di questo processo di ionizzazione. Tuttavia, ci aspettiamo che ciò sia possibile soltanto con futuri esperimenti di onde gravitazionali, ad esempio l’interferometro Lisa, che dovrebbe venir lanciato in orbita eliocentrica tra (almeno) 15 anni».

Se si riuscissero a rilevare questi atomi gravitazionali, cosa sarebbe possibile dedurre in termini di fisica delle particelle?

«L’esistenza degli atomi gravitazionali è incognita perché non sappiamo se queste particelle, i bosoni ultraleggeri, siano davvero presenti in natura oppure no. Tuttavia, essi sono predetti da diverse teorie, quali la teoria di Peccei-Quinn o la teoria delle stringhe. Se riuscissimo a confermare l’esistenza degli atomi gravitazionali, avremmo un indizio molto forte a sostegno della correttezza di queste teorie. Ciò sarebbe una grande notizia, perché sta diventando sempre più difficile fare scoperte in questo campo usando il classico metodo degli acceleratori di particelle. Inoltre, è possibile che i bosoni ultraleggeri siano i responsabili della materia oscura, che sappiamo comporre la maggior parte della massa dell’universo, ma sulla cui natura fondamentale siamo piuttosto confusi. Gli atomi gravitazionali potrebbero senz’altro aiutarci a capirne di più!».


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