mercoledì 16 maggio 2018

Echi di onde gravitazionali potrebbero indicare la gravità quantistica


La prima scoperta delle onde gravitazionali nel 2015 ha creato un'enorme eccitazione perché ha confermato una previsione di vecchia data della teoria della relatività generale di Albert Einstein e ha aperto un modo completamente nuovo di osservare l'universo. I fisici hanno anche esaminato i dati dal numero crescente di rilevazioni di onde gravitazionali per "echi" - la cui esistenza potrebbe significare che la nostra comprensione della relatività è incompleta. I fisici in Canada e Iran hanno trovato prove provvisorie di tali echi da onde gravitazionali da collisioni di buchi neri, e ora dicono che esiste un segnale più forte nei dati di collisione di stelle di neutroni.
Molti fisici credono che la relatività generale sia incompleta perché è in contrasto con la meccanica quantistica, portando al paradosso dell'informazione quando si considerano i campi gravitazionali estremi generati dai buchi neri. La relatività ci dice che ogni volta che qualcosa, inclusa la luce, attraversa l'orizzonte degli eventi di un buco nero, l'informazione che contiene viene persa per sempre nel resto dell'universo. Ma la meccanica quantistica richiede che l'informazione non possa essere né creata né distrutta. Questo è un problema data l'esistenza della radiazione di Hawking, il che implica che i buchi neri possono evaporare nel nulla e nel processo cancellare tutte le informazioni che vi fluivano dentro.
Se esistono echi di onde gravitazionali, suggerirebbe che i buchi neri non sono limitati da un classico orizzonte degli eventi ma da una struttura di scala di Planck quantomeccanica. Una delle strutture proposte dai teorici è il "firewall", che distrugge qualsiasi oggetto che lo attraversa, ma conserva le informazioni di quell'oggetto e quindi lo tiene fuori dal buco nero. I firewall, tuttavia, sono controversi. Mentre i fisici concordano sul fatto che la meccanica quantistica entra in gioco nei buchi neri - anche se è impossibile vederne gli effetti - sono in gran parte scettici riguardo al suo ruolo al di fuori dell'orizzonte degli eventi.

Barriera che rimbalza

Gli echi delle onde gravitazionali sarebbero creati grazie alla presenza della struttura a scala di Planck, o "membrana", e di ciò che è noto come barriera del momento angolare.Quest'ultimo è un confine che si trova circa 1,5 volte fino all'orizzonte degli eventi (in genere a circa 200 km dal centro di un buco nero) che è previsto dalla relatività e che confina parzialmente le onde gravitazionali. Qualsiasi onda in uscita generata tra l'orizzonte degli eventi e la barriera normalmente rimbalzerebbe contro la barriera e quindi passerebbe attraverso l'orizzonte, per non essere mai più vista. Ma la membrana, situata all'interno di una lunghezza di Planck dell'orizzonte, rifletterebbe invece l'onda indietro, permettendole di rimbalzare di nuovo sulla barriera o, meno probabile, di passare attraverso la barriera nello spazio.
Di conseguenza, la barriera può agire come uno specchio semiriflettente che rilascia una piccola frazione dell'energia dell'onda gravitazionale nello spazio dopo ogni riflesso dalla membrana. Ciò apparirebbe come scoppi deboli di radiazione gravitazionale - gli echi - separati da un intervallo temporale ben definito che dipende solo dalla massa del buco nero e dalla velocità di rotazione.
Questa proposta si basa su un'idea originariamente avanzata da Vitor Cardosodell'Università di Lisbona in Portogallo e da colleghi nel febbraio 2016, appena un paio di settimane dopo che la collaborazione LIGO negli Stati Uniti aveva annunciato la prima rilevazione delle onde gravitazionali. Poi a dicembre di quell'anno, Niayesh Afshordidell'Università di Waterloo e l'Istituto perimetrale di Fisica Teorica in Canada e colleghi dissero di avere prove a sostegno dell'idea, sostenendo di aver trovato un segnale 2.5σ per gli echi delle onde gravitazionali di tre coppie di buchi neri che si fondono, incluso quello visto nel primo rilevamento.

Coerente con il rumore?

Questa affermazione è stata accolta dallo scetticismo di nove membri della collaborazione LIGO, che hanno fatto le proprie analisi dei dati . Includevano un background più ampio di quello che consideravano il team e i colleghi di Afshordi, e trovarono un segnale, ma con un significato minore - circa 2σ. Il risultato, ha affermato il team LIGO, è stato "del tutto coerente con il rumore". Hanno quindi concluso che l'analisi rivale non "fornisce alcuna prova osservativa dell'esistenza della struttura della scala di Planck agli orizzonti del buco nero".
Imperterrito, Afshordi e il suo collega Jahed Abedi della Sharif University of Technology di Teheran hanno cercato echi nei dati delle stelle di neutroni unite annunciate con tanto clamore da LIGO e Virgo in Italia nell'ottobre 2017. In primo luogo, hanno calcolato la gamma delle frequenze di eco previste e ritardi di tempo tra fusione ed eco - 60-90 Hz e fino a 1 s, rispettivamente (quest'ultimo a seconda che le stelle di neutroni collassassero direttamente per formare un buco nero o prima producessero una stella di neutroni molto massiccia). Hanno quindi scansionato il set di dati per scoprire se c'erano ondate che corrispondono a quei criteri. Come hanno riferito di recente sul server arXiv , hanno effettivamente trovato un tale segnale - a 72 Hz, circa 1 secondo dopo la fusione. Inoltre, hanno trovato solo alcuni modelli ripetitivi simili in altri momenti all'interno dei dati. In quanto tali, affermano, il segnale ha un significato di 4.2σ.



Cardoso dice che è "sconcertante" che gli echi delle stelle di neutroni debbano avere un significato più alto di quelli dei buchi neri che si fondono - dato che quest'ultimo segnale era più intenso. Inoltre avverte che le onde ripetute potrebbero essere una conseguenza della fisica convenzionale, come "le radiazioni dagli avanzi della fusione". Tuttavia, egli sostiene che la prospettiva di una nuova fisica rende tali ricerche utili. "Sarebbe sciocco non scavare in profondità in questo", dice.
Afshordi ammette di essere stato sorpreso di trovare un segnale così forte nei dati delle stelle di neutroni e riconosce che saranno necessarie nuove osservazioni da LIGO e Virgo per risolvere il problema. Ma sostiene che le prove stanno costruendo, sottolineando che un altro gruppo, presso l'Università di Toronto, ha visto 3σ prove per gli echi . "Finora tutti quelli che hanno cercato gli echi li hanno trovati, incluso il gruppo LIGO", afferma. "Dobbiamo ancora avere un gruppo che non trovi nulla."