Le grandi domande della vita: Il buco nero e il gravitone

L'evento centrale di metà aprile è stato il rilascio della prima fotografia di un buco nero. Dopo aver scritto una serie di tre articoli dedicati all'importante risultato scientifico/tecnologico, ritorno sulla questione grazie a una domanda particolare che è giunta sul profilo instagram di Sandro Ciarlariello, di cui prima di iniziare a rispondere alla domanda nel dettaglio segnalo l'articolo dedicato alla questione.

Una questione di gravitoni

La domanda è presto detta:

Se la gravità fosse mediata da gravitoni, come farebbero questi a uscire dall'orizzonte degli eventi?

Non è la prima volta che questa domanda viene posta, quindi si riescono a trovare un po' di risposte in giro, ma nessuna di queste mi è sembrata sufficientemente soddisfacente⁽¹⁾, così provo a fornire una mia personale risposta.
Prima di tutto vorrei fissare il punto di vista della relatività generale di Albert Einstein: questa è una teoria geometrica in cui la gravitazione viene interpretata come la deformazione della curvatura dello spaziotempo indotta dalla presenza della massa. Maggiore è la massa, maggiore è la curvatura e quindi il potere di attrarre oggetti verso il centro della curvatura stessa. Un oggetto non cade nel centro della curvatura se ha la sufficiente energia cinetica per muoversi sul bordo della curvatura stessa. In questa descrizione della gravità non è prevista l'esistenza di alcun bosone messaggero, quindi al momento i gravitoni non possono sfuggire dall'orizzonte degli eventi per il semplice motivo che non sono previsti dalla teoria.
Nel frattempo nel 1916 Karl Schwarzschild scopre che all'interno della relatività generale è prevista l'esistenza di singolarità in grado di curvare lo spaziotempo così tanto che neanche la luce è in grado di sfuggirvi⁽²⁾. La possibile esistenza delle singolarità di Schwarzschild non andava a genio al buon Einstein, che scrisse un articolo di 16 pagine per dimostrare come tali singolarità non possono esistere nella realtà fisica⁽³⁾, affermazione che in qualche modo sembra riecheggiare l'obiezione che il famoso fisico teorico rivolse alla meccanica quantistica.

Paperinik: dai buchi neri alla materia oscura

Con qualche mese di ritardo su quanto avevo preventivato a suo tempo, è finalmente uscita la recensione de L'orizzonte degli eventi. Ne sono particolarmente soddisfatto per via degli inserti scientifici colà presenti. In questa sede vi estraggo quanto ho scritto, sebbene in parte già pubblicato sia qui sia in altre sedi.
Iniziamo:

Stelle nere

Nel 1783, in una lettera inviata a John Cavendish e successivamente pubblicata in forma di articolo nel 1784 dalla Royal Society, il geologo, fisico e astronomo John Michell ipotizzava l'esistenza di una stella scura (o stella nera) che aveva delle caratteristiche inusuali per l’epoca: la sua massa e la sua densità erano tali per cui la velocità di fuga, ovvero la velocità necessaria per abbandonare la superficie di un corpo celeste, risultava superiore a quella della luce. Un'idea simile venne espressa anche dall'astronomo e matematico francese Pierre Laplace nel 1796 nel suo famoso Exposition du Systeme du Monde:

Un astro luminoso, della stessa densità della Terra, e il cui diametro sia 250 volte quello del Sole, non permetterebbe, a causa della sua attrazione, ad alcuno dei suoi raggi di giungere fino a noi; è pertanto possibile che i più grandi corpi luminosi dell’universo possano, a causa di ciò, essere invisibili

Sin dal 1600, infatti, si riteneva la luce costituita da corpuscoli, concettualmente simili ai più moderni fotoni, e quindi soggetta alla gravità, mentre le osservazioni gioviane di Giovanni Cassini e del danese Ole Rømer, che per un breve periodo fu assistente di Cassini, indicavano che la velocità della luce dovesse essere finita. Quindi non deve stupirci che l'esistenza di un corpo celeste molto simile ai moderni buchi neri sia nata sin dalla seconda metà del 1700 ⁽¹⁾.
Per raffinare e arrivare all'idea moderna di una singolarità in grado di "strappare" lo spaziotempo in modo tanto forte e violento da impedire persino alla luce di sfuggire sarebbe stata necessaria la teoria della relatività di Albert Einstein, e le soluzioni particolari trovate successivamente da Karl Schwarzschild nel 1916 e da David Finkelstein nel 1958. In particolare fu quest'ultimo a introdurre il concetto di orizzonte degli eventi, la superficie che circonda il buco nero superata la quale è impossibile sfuggire alla sua attrazione gravitazionale.

La quinta forza e mezza

Avevo intenzione di scrivere solo due righe su una vecchia news...

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Più tardi, mentre stavo discutendo di problemi cosmologici con Einstein, egli osservò che l'introduzione del termine cosmologico fu il più grande abbaglio della sua vita.⁽²⁰⁾

La prima volta che ho avuto un incontro ravvicinato con una quinta forza è stato a fine settembre 2011 per un seminario di Valeria Pettorino, Interactions in the dark sector: impact on CMB and large scale structure⁽²¹⁾, presso l’Osservatorio Astronomico di Brera. Il modello che la ricercatrice venne a raccontare è semplicemente uno dei tanti che si propone di risolvere il principale dilemma cosmico della nostra epoca: l'esistenza e la natura di materia ed energia oscure.

Un nuovo paradigma cosmico

Distribuzione della materia oscura nell'universo in base alla Millennium simulation

L'idea che nel cosmo ci fosse più di quel che si vede era nota da tempo: da un lato i calcoli sui buchi neri realizzati da Karl Schwarzschild⁽¹⁾ e Johannes Droste⁽²⁾, allievo di Hendrik Lorentz, che prevedevano all’interno della relatività generale di Albert Einstein l'esistenza di una singolarità gravitazionale, ovvero un punto (o una regione) con una densità di massa così alta da generare una curvatura dello spaziotempo tanto grande da impedire persino alla luce di sfuggire alla sua attrazione^{(3, 4)}. Dall'altro, invece, le osservazioni che spinsero Fritz Zwicky⁽⁵⁾ a proporre il concetto di materia oscura⁽⁶⁾.
Le prime forti evidenze dell’esistenza di materia oscura giunsero con lo studio delle proprietà delle galassie, in particolare della loro velocità di rotazione⁽⁷⁾, che da un certo punto in poi invece di decrescere come previsto, restava costante. Tale osservazione era spiegabile solo introducendo una quantità di massa non visibile all'interno della galassia, stimata da Vera Rubin in all'incirca 6 volte maggiore della massa visibile⁽⁸⁾.
Altre misure che permettono di verificare l’esistenza della materia oscura sono quelle sulla velocità di dispersione delle galassie, misure gneriche sugli ammassi di galassie e l’utilizzo della lente gravitazionale, lo studio della radiazione cosmica di fondo e, tra gli altri, le importanti osservazioni sulle supernove di tipo Ia. Il primo studio che si occupò in maniera estensiva di questa classe di stelle, associandole a un processo di espansione accelerata dell'universo, venne pubblicato dal High-Z Supernova Search Team nel 1988⁽⁹⁾ cui fece seguito, l'anno dopo, l'articolo del Supernova Cosmology Project⁽¹⁰⁾, che ne confermava i risultati. L'effetto di tale scoperta, che implicava l'esistenza di un nuovo tipo di energia, chiamata per analogia energia oscura, fu l'assegnazione nel 2011 del Premio Nobel per la fisica a Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess.

La supernova di Keplero

La spiegazione più semplice per l'esistenza dell'energia oscura è nell'introdurre nuovamente nella relatività generale la costante cosmologica, che Einstein aveva inserito nella prima versione dell'equazione della relatività immaginando un universo statico e successivamente cancellato non appena venne a conoscenza delle soluzioni di Alexander Friedmann, che prevedevano un universo in espansione, cosa per altro osservata da Edwin Hubble⁽¹¹⁾. Il modello così prodotto è oggi noto come $\Lambda$-CDM, dove $\Lambda$ è la costante cosmologica. Quest'ultima è l'espressione di una presione negativa che contrasta quella generata dalla gravità prodotta dal contenuto in massa dell'universo.
Di idee alternative a questo modello ne sono state prodotte molte (d'altra parte la fantasia dei fisici teorici non ha limiti!), e una di queste è il così detto modello della quintessenza cosmica.