Nuovo modo per visualizzare lo spazie e il tempo

Quando i buchi neri si scontrano gli uni con gli altri, lo spazio e il tempo circostante ondeggiano come un mare durante una tempesta. Questa deformazione dello spazio e del tempo è così complessa che i fisici non erano ancora stati in grado di comprendere i dettagli di quello che accade.

"Abbiamo scoperto il modo per visualizzare lo spazio-tempo come mai visto prima", dice Kip Thorne, Feynman professore emerito di Fisica Teorica, presso il California Institute of Technology (Caltech).
Grazie alla combinazione di teoria e simulazioni al computer, Thorne e i suoi colleghi della Caltech Cornell University e dell'Istituto Nazionale di Fisica Teorica in Sud Africa hanno sviluppato degli strumenti concettuali che hanno doppiato le linee di vortice.
Utilizzando questi strumenti, hanno scoperto che le collisioni dei buchi neri sono in grado di produrre linee di vortice che formano un disegno a forma di ciambella, volando lontano dal buco nero fuso come anelli di fumo. I ricercatori hanno anche scoperto che questi fasci di linee di vortice, possono fuoriuscire dal buco nero a spirale come l'acqua da un irrigatore rotante.

I ricercatori parlano  delle linee di vortice e delle loro implicazioni per i buchi neri, sull'edizione online dell'11 aprile del Physical Review Letters.
I nastri e le linee di vortice descrivono le forze gravitazionali causate dallo spazio-tempo deformato. Sono analoghe alle linee del campo elettrico e magnetico che descrivono le forze elettriche e magnetiche.
Le Linee descrivono la forza di stiramento che esercita lo spazio-tempo deformato su tutto ciò che incontra. "Le linee Tendex sono come la Luna che alza le maree sugli oceani della Terra," afferma David Nichols, della Caltech University e ideatore del termine "tendex". La forza di allungamento di queste righe farebbe pezzi un ipotetico astronauta che si troverebbe cadere in un buco nero.

Le linee Vortex, d'altro canto, descrivono la torsione dello spazio. Se il corpo di un astronauta è allineato con una linea di vortice, si torcerebbe come un asciugamano bagnato.
Quando molte linee tendex si raggruppano assieme, creare una regione di forte stiramento chiamata tendex. Allo stesso modo, un fascio di linee di vortice creano una regione vorticosa di spazio chiamata vortice. "Qualsiasi cosa che cade in un vortice girerebbe" dice il Dott. Robert Owen della Cornell University, l'autore principale della carta.
Il Tendex e le linee di vortice offrono un modo nuovo e potente per capire i buchi neri, la gravità e la natura dell'Universo. "Con questi strumenti, possiamo ora dare molto più senso alla enorme quantità di dati che si producono nelle nostre simulazioni al computer," dice il Dott. Mark Scheel, un ricercatore senior presso la Caltech e leader del lavoro di simulazione della squadra.

Utilizzando le  simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che due buchi neri sbattendo l'uno contro l'altro producono vortici diversi e differenti tendexes. Se la collisione avvengono testa a testa, il foro risultante dalla fusione viene espulso nello spazio dai vortici con delle regioni a forma di ciambella vorticosa, mentre dai tendexes come regioni a forma di ciambella stirate. Ma se la spirale dei buchi neri va una verso l'altro prima di fondersi, i loro vortici e spirali tendexes restano fuori dal buco nero uniti. In entrambi i casi, sia la ciambella o spirale che i vortici si spostano verso l'esterno e i tendexes diventano onde gravitazionali (il tipo di onde che il Caltech guidato Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) mira a rilevare.
"Con questi tendexes e vortici, potremmo essere in grado di predire molto più facilmente le forme d'onda delle onde gravitazionali LIGO che sta cercando", dice Yanbei Chen, professore associato di fisica presso Caltech e il leader degli sforzi teorici della squadra.
Inoltre, tendexes e vortici hanno permesso ai ricercatori di risolvere il mistero esistente dietro la spinta gravitazionale di un buco nero unito al centro di una galassia. Nel 2007 un gruppo di ricercatori dell'Università del Texas a Brownsville, guidato dal professor Manuela Campanelli, avevano utilizzato delle simulazioni al computer per scoprire se la collisione dei buchi neri era in grado di produrre una scarica diretta delle onde gravitazionali che provocava allo stesso buco nero unito a rinculo, come quella ad una carabina causata dallo sparo di un proiettile. Il rinculo è così forte che può espellerlo dala sua galassia. Ma nessuno ha capito come avvenga questa esplosione diretta delle onde gravitazionali.

Ora, grazie ai nuovi strumenti, la squadra di Thorne ha ottenuto la risposta. Su in un lato del buco nero, le onde gravitazionali dei vortici a spirale si aggiungono alle onde dai tendexes a spirale, dall'altro lato, le onde vortice e tendex si annullano a vicenda. Il risultato è una raffica di onde in una direzione, causando un rinculo al buco nero risultante.
"Anche se abbiamo sviluppato questi strumenti per le collisioni di buchi neri, essi possono essere applicate allo spazio-tempo deformato" dice il Dott. Geoffrey Lovelace, un membro della squadra di Cornell. "Per esempio, mi aspetto che vengano applicate le linee di vortice e tendex alla cosmologia, ai buchi neri che strappano le stelle a sé e per la singolarità che vivono all'interno dei buchi neri. Diventeranno strumenti standard per tutta la relatività generale".

La squadra sta già preparando numerosi inseguimenti per ottenere nuovi risultati. "Non sono mai stato prima d'ora coautore di un documento in cui in sostanza tutto è nuovo", spiega Thorne, che ha firmato centinaia di articoli ma non come questo. Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, lo Sherman Fairchild Foundation, la Fondazione Brinson, la NASA, e il David e Barbara Groce Fondo.

L'articolo originale è stato scritto da Marcus Woo

Traduzione e adattamento per la lingua italiana cura di Arthur McPaul

Illustrazione di apertura: (Credit: il Caltech / Cornell SXS Collaboration)

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