I buchi bianchi. Oggetti celesti esotici piu’ strani dei buchi neri.

Per soddisfare le richieste di mia figlia Gilda su cosa fossero i buchi bianchi (sta studiando  Geografia Astronomica), ho pensato di pubblicare questo post in modo da condividere con tutti voi alcuni concetti di questi oggetti molto bizzarri.

Alla fine di Maggio di quest’anno due scienziati, Alon Retter e Shlomo Heller, hanno proposto che un oggetto celeste che emette raggi gamma, conosciuto come GRB060614, potrebbe essere in  realta’ un buco bianco.   Un buco nero per definizione e’ una singolarita’ con una massa infinita in uno spazio infinitesimo. La sua gravita’ e’ cosi potente che nemmeno la luce (cioe’ i fotoni) riesce ad emergere da esso, e da qui il nome di buco nero.

Nelle stelle, c’e’ un equilibrio continuo tra la forza gravitazionale (quella che ci tira verso il centro della Terra) e la pressione della radiazione (PV=kNT) della stella che contrariamente alla forza gravitazionale tende a spingere verso l’esterno. Nelle stelle vecchie quando il combustibile nucleare comincia a scarseggiare si ha un collasso gravitazionale verso il centro della stella. Nelle stelle di neutroni  per esempio gli elettroni sono cosi compressi nel nucleo che si combinano con i protoni per formare neutroni. Il collasso e’ quandi frenato dalla pressione generata dai neutroni degeneri. Per stelle molto massiccie la forza gravitazionale e’ ancora piu’ forte e la contrazione continua senza alcuna opposizione portando ad una singolarita’ che forma il buco nero. In assenza di altre forze che possano frenare il collasso, si crede che in un buco nero tutta la materia e’ concentrata in un singolo punto con una densita’ infinita. A causa della forza gravitazionale praticamente infinita, la luce e’ intrappolata all’interno dell’orizzonte degli eventi del buco nero. Il singolo punto centrale di un buco nero chiamato singolarita’ e’ la stessa da cui si sarebbe formato il nostro Universo circa 13.7 miliardi di anni fa.    

I buchi bianchi, al contrario, sono l’opposto teorico di quelli neri. Quindi come i buchi neri catturano tutta la materia che orbita nelle loro vicinanze cosi i buchi bianchi irradiano continuamente luce dalla singolarita’ centrale apparendo quindi come oggetti brillantissimi (e’ come vedere un film di un buco nero al contrario, che corrisponde all’inversione del tempo nelle equazioni fisiche). La materia in un buco bianco scappa via da esso verso l’Universo. Entrambi i buchi neri e bianchi sono stati previsti da un punto di vista teorico alcune decadi  fa, e oggi diversi oggetti nell’Universo vengono riconosciuti come buchi neri. Anche al centro della nostra Galassia ci dovrebbe essere un buco nero cosi come in tante altre.

Filmato su buco nero

Spazio-tempo deformato da un buco nero di massa crescente. All'inizio esso è piatto, nel seguito si forma un buco-nero. Il raggio del cerchio inferiore vale 2M e rappresenta l'orizzonte degli eventi

Ovviamente un'osservazione diretta di un buco nero è impossibile, e le sole possibilità che abbiamo di rilevarlo, sono legate agli effetti che il suo intenso campo gravitazionale sugli eventuali corpi celesti vicini. Si veda ad esempio l'immagine qui sotto che rappresenta il sistema stellare binario GRO J1655-40. Si pensa che una delle componenti sia un buco nero: il suo campo gravitazionale è così intenso da sottrarre alla partner (in primo piano) la materia degli strati esterni, formando un caratteristico disco di accrescimento (disco blu in secondo piano).

L’idea dei buchi bianchi e’ affascinante in quanto accoppiati ai buchi neri potrebbero permettere quello che in gergo si chiama un whormhole (o ponte di Einstein-Rosen), un tunnel spazio-temporale che dovrebbe congiungere due diverse zone dello spazio tempo. Possiamo avere due tipi diversi di cunicoli spazio temporali. Un cunicolo che unisce il nostro universo con un altro universo, ed un cunicolo che unisce due regioni distanti di uno stesso universo. 

L'analogia piu’ usata per spiegare il concetto di wormhole è quella del verme nella mela. Immaginiamo l'universo come una mela, e supponiamo che un verme viaggia sulla sua superficie. La distanza tra due punti opposti della mela è pari a metà della sua circonferenza se il verme resta sulla superficie della mela; ma se invece scava un foro direttamente attraverso la mela la distanza che deve percorrere per raggiungere quel determinato punto diventa minore. Il foro attraverso la mela rappresenta il cunicolo spazio-temporale. Semplice no?

Ad ogni modo i fisici sono abbastanza scettici riguardo l’esistenza dei buchi bianchi e quindi dei wormhole a causa della loro forte instabilita’, ed ecco perche’ per lunghi decenni nessuno ne ha piu’ parlato.

Una persistente emissione di materia, infatti dovrebbe portare ad una pressione gravitazionale tale da formare un buco nero e quindi alla morte del buco bianco. L’unico posto dove i buchi bianchi hanno trovato posto fino ad oggi e’ quello della fantascienza.  

Retter e Heller, comunque hanno associato l’idea di un buco bianco al Big Bang, l’esplosione iniziale che diede origine al nostro Universo, e secondo loro il Big Bang e’ stato un evento istantaneo piuttosto che continuo e di lunga durata, aggirando cosi il problema della instabilita’ di un buco bianco. Considerare il Big Bang come un buco bianco e’ abbastanza ovvio, in quanto esso dovrebbe essere stato l’unico evento che ha liberato una quantita’ di materia/energia enorme nel dare origine al nostro Universo. Essi scrivono:

Noi suggeriamo che l’emergenza di un buco bianco, che chiamiamo un piccolo Bang, e’ spontanea; tutta la materia e’ eiettata in un singolo impulso. Diversamente dai buchi neri, quelli bianchi non possono essere osservati con continuita’ proprio perche’ il loro effetto puo’ essere visibile solo per tempi brevissimi durante l’evento. E questo ci porta agli oggetti celesti che emettono fiotti di raggi gamma (GRB): le esplosioni piu’ energetiche presenti nell’Universo.

Retter e Heller propongono di identificare alcuni di questi oggetti con dei buchi bianchi. In particolare, essi suggeriscono che l’oggetto chiamato GRB060614, individuato dal satellite della NASA Swift il 14 Giugno del 2006, non corrisponde alla categoria degli oggetti che emettono fiotti di raggi gamma. Questo perche’ solitamente quest’ultimi sono presenti in regioni con bassa formazione stellare oppure associati con supernovae. GRB060614 non soddisfa nessuna di queste due condizioni e quindi questo oggetto potrebbe essere un buco bianco, con emissione di radiazione breve e potente.

I due scienziati terminano il loro articolo  con le seguenti osservazioni:

1. I buchi bianchi emettono energia/materia spontaneamente come avvenne per il Big Bang. Diversamente dai buchi neri, essi non possono essere osservati in modo continuo, ma solo per poco tempo subito dopo la loro formazione.  
2. Per i buchi bianchi in qualsiasi punto dello spazio e in qualsiasi istante, solo dopo che essi sono nati ci puo’ essere un’interazione della materia eiettata all’esterno con l'universo circostante. Questo oggetti sono istantanei e non si estendono temporalmente.
3. Alcune delle sorgenti GRB (gamma ray bursts) individuate potrebbero essere spiegate con dei buchi bianchi. Queste non possono essere spiegate come delle eruzioni di supernovae e possono trovarsi sia all’interno di galassie che negli spazi tra le galassie.
4. Il processo di formazione di un buco bianco e’ un processo randomico che puo’ essere usato per spiegare la formazione di strutture asimmetriche nell’universo iniziale. 

E qui mi fermo per il momento con la promessa di ritornare su tematiche simili in tempi futuri.

Un’altra prova a sfavore dei neutrini superluminali

La saga dei neutrini superluminali continua. E un’ulteriore prova si aggiunge a quella dei giorni scorsi pubblicata anche su questo blog. Questa volta la prova viene da un altro esperimento sui neutrini sempre presso il Gran Sasso chiamato ICARUS. Questo esperimento come OPERA ha rivelato i neutrini “sparati” dal CERN sin dal 2010 (Link).

Ora se i neutrini rivelati da OPERA fossero realmente superluminali, secondo due scienziati della Boston University, Cohen e Glashow (premio Nobel per la Fisica nel 1979) questi dovrebbero perdere la loro energia durante i 730 Km che separano il CERN dal Gran Sasso, producendo coppie di elettroni e positroni, in modo analogo alla luce Cherenkov emessa quando una particella attraversa un mezzo ad una velocita’ superiore a quella della luce nel mezzo stesso. Essa e’ la causa del colore azzurrino delle piscine in cui sono immersi i reattori nucleari.

La produzione di coppie elettroni/positroni con relativa perdita di energia dovrebbe deformare lo spettro energetico dei neutrini in arrivo al Gran Sasso. Ed e’ proprio questa pertubazione che non e’ stata osservata in un anno di dati prodotti da ICARUS confutando cosi’ l’ipotetica osservazione di neutrini superluminali del team di OPERA. 

Vediamo i dettagli. Secondo l’osservazione di Cohen e Glashow, i neutrini superluminali dovrebbero emettere della radiazione a causa della presenza delle Interazioni Deboli. In particolare l’emissione di elettroni e positroni dovrebbe avvenire ad una energia data da:

dove

e’ il valore identificato da OPERA, m la massa dell’elettrone, c la velocita’ della luce e v la velocita’ dei neutrini.

Questo fa si che la soglia di energia sia di circa 140 MeV.

Secondo i calcoli effettuati dai due scienziati dell’Universita’ di Boston (Link) l’energia finale dei neutrini dopo aver percorso una distanza L avendo un’energia iniziale Ei dovrebbe essere data da:

dove k e’ una costante. Osserviamo che una volta stabilita la distanza L (nel nostro caso 730 Km), conoscendo l’energia iniziale dei neutrini e misurando quella finale e’ possibile ricavare la differenza tra la velocita’ dei neutrini e quella della luce   o viceversa assumendo un certo valore di delta e conoscendo L e l’energia iniziale dei neutrini e’ possibile predire l’energia finale dei neutrini e confrontarla con quella misurata.

L’esperimento ICARUS consiste di 760 tonnellate di argon liquido super-puro che opera come una camera a bolle  registrando tutti gli eventi che depositano un’energia superiore alle centinaia di MeV all’interno di una finestra di 60 us centrata intorno all’impulso di neutrini inviato dal CERN. 

                                                               Esperimento ICARUS

L’apparato e’ capace di rivelare i neutrini muonici inviati dal CERN grazie all’interazioni di quest’ultimi con gli atomi di argon che producono una particolare traccia che dipende dall’energia del muone che viene creato da queste interazioni.

                                                   Tipico evento registrato da ICARUS.         

Misurando l’angolo theta mostrato nella figura precedente  e’ possibile ricostruire l’energia del muone che ha creato il segnale. Da quando e’ entrato in funzione, ICARUS, ha registrato circa 100 eventi di questo tipo, non tantissimi ma sufficienti per costruire lo spettro di energia dei muoni (in blu) e confrontarlo con quello aspettato (linea rossa).  

A partire dai dati del muone e’ possibile ricostruire la distribuzione energetica dei neutrini (cioe’ l’istogramma dell’energia o in altre parole quanti neutrini arrivano con una data energia) “sparati” dal CERN (in blu) e  confrontarla con quella aspettata dalle simulazioni (linea rossa).

Come si puo’ vedere dalla figura l’accordo tra i dati sperimentali e quelli aspettati e’ molto buono.  

Come detto all’inizio del post, secondo i calcoli di Cohen e Glashow, se i neutrini viaggiassero ad una velocita’ superiore a quella della luce come OPERA sembra indicare, allora la loro distribuzione di energia dovrebbe apparire distorta; in particolare per un delta nell’intervallo indicato da  OPERA

(5E-5), l’energia media dei neutrini dovrebbe essere di circa 15 GeV contro i ~28 osservati da ICARUS e inoltre non ci dovrebbe essere nessun evento ad energia  superiore  a ~15 GeV (vedi linea in viola nella figura sottostante).  Ma cosi non e’. Ci sono tanti eventi al di sopra di ~15 GeV e in media i neutrini hanno una energia ben superiore a quella prevista da Cohen e Glashow nel caso essi viaggiassero ad una velocita’ superluminale.

                                                    (da http://scienceblogs.com/startswithabang/)

Sempre secondo la teoria di Cohen e Glashow, nel caso in cui i neutrini fossero superluminali, dovrebbero perdere la loro energia emettendo coppie elettroni-positroni e quindi arrivare con un’energia media pui’ bassa al Gran Sasso (15 GeV contro i ~28 GeV) che avrebbe comportato l’osservazione di una distribuzione di energia dei muoni (linea in violetto) molto diversa da quella osservata (punti blu).

Si tratta di una differenza enorme specialmente ad energie superiori ai 15 GeV. Quindi i dati di ICARUS in modo inequivocabile mostrano un’inconsistenza sostanziale con quelli di Opera. Ulteriore conferma di un qualche possibile errore fatale fatto dal Team di OPERA.

Non ci resta che rimandare ad un futuro prossimo la possibilita’ di trovare nel nostro universo delle particelle tachioniche.   

Neutrini piu’ veloci della luce? Forse trovato l'errore

Alcune settimane fa quando i responsabili dell’esperimento Opera hanno pubblicato i risultati della loro ricerca sulla velocita’ dei neutrini sembrava che alcune delle leggi fondamentali della fisica venissero messe duramente alla prova. 

La stampa e i vari blog hanno dato grande risalto alla notizia con titoli che sembravano mettere in discussione la relativita’ di Einstein.

In questi ultimi giorni, invece proprio la relativita’ di Einstein sembra rimettere tutto in discussione grazie ad una ricerca di alcuni scienziati che hanno spiegato il perche’ dei 60 ns di differenza trovati da Opera rispetto al valore aspettato.  

L’elevata velocita’ dei neutrini e la relativa distanza non molto grande tra il CERN e il Gran Sasso, significa dover conoscere con estrema precisione la distanza tra la sorgente (CERN) e il rivelatore (Gran Sasso) nonche’ l’istante in cui i neutrini lasciano la sorgente e quello in cui arrivano al rivelatore (il tempo impiegato dai neutrini per coprire la distanza CERN-Gran Sasso si chiama tempo di volo). 

Durante l’esperimento Opera, sembra che i ricercatori che hanno usato i GPS  per misurare la distanza e il tempo di volo abbiano dimenticato di considerare una variabile fondamentale: la relativita’ appunto.

E’ quello che emerge dallo studio del ricercatore  Ronald A.J. van Elburg dell'Università di Groningen, in Olanda che ha scritto un articolo in cui spiega come  “gli effetti della relativita’ richiedono 2 correzioni alle misure del tempo di volo dei neutrini”.

Queste correzioni alterano il tempo di volo dei neutrini di ~64 ns facendo si che la velocita’ dei nuetrini, all’interno degli errori di misura, sia uguale a quella della luce.

Comunque Van Elburg non e’ il solo scienziato che sta lavorando alla verifica dei risultati dell’esperimento Opera.  In 3 settimane dopo l’annuncio del CERN ci sono stati piu’ di 80 articoli pubblicati sul server arxiv per spiegare i possibili errori fatti durante l’esperimento dei neutrini.

Mentre alcuni scienziati cercano di spiegare il risultato di Opera ricorrendo ad una nuova fisica, come i neutrini che viaggiano attraverso dimensioni extra, o neutrini che viaggiano ad una velocita’ superiore a quella della luce ma solo a particolari energie, altri cercano spiegazioni meno rivoluzionarie cercando eventuali errori nei dati dell’esperimento.  

Vediamo adesso in dettaglio i risultati di Van Elburg.

Come tutti sanno, l’esperimento di Michelson e Morley,  ha dimostrato che la velocita’ della luce e’ la stessa in tutti i sistemi inerziali, e su questo assioma Einstein costrui’ la relativita’ speciale. Anche se la velocita’ della luce e’ invariante rispetto ad un cambio di sistema di riferimento inerziale, la relativita’ speciale non preserva la distanze e il tempo separatamente. Infatti affinche’ la velocita’ della luce sia costante in tutti i sistemi di riferimento e’ necessario correggere la distanza e il tempo con il cosiddetto fattore di trasformazione di Lorentz. In aggiunta la descrizione di eventi  e’  diversa a seconda dei sistemi di riferimento, in altre parole un cambio di prospettiva comporta un diverso scenario.  

Questo cambiamento di scenario diventa importante se vogliamo calcolare la velocita’ di una particella usando una sorgente A e un rivelatore B separati da una distanza fissa Sb nel sistema di riferimento solidale con la Terra e utilizzando un orologio che invece si muove con una velocita’ v dalla sorgente A verso il rivelatore B. Ma perche’ l’orologio si muove verso B?

Il tempo di volo e’ un parametro molto difficile da misurare. Il team di Opera riporta che è riuscito a calibrare con estrema precisione i due istanti importanti per la misurazione sintonizzando gli orologi presenti ad ogni capo dell'esperimento.
Sono riusciti a fare cio’  grazie ai satelliti GPS. Ognuno dei satelliti trasmette un segnale molto accurato dall'orbita, a circa 20 km di altezza. Questo comunque introduce una serie di complicazioni che il team ha dovuto considerare, come il tempo necessario al segnale per arrivare sulla terra.

E' facile pensare che il moto dei satelliti sia irrilevante. Dopo tutto, le onde radio che portano il segnale  viaggiano alla velocità della luce, a prescindere dalla velocità dei satelliti. Ma c'è un'ulteriore sottigliezza da considerare. Anche se la velocità della luce non dipende dal sistema di riferimento, il tempo di volo dei neutrini si. In questo caso, ci sono due sistemi di riferimento: l'esperimento sulla terra e gli orologi in orbita. Se questi si muovono uno rispetto all’altro allora questo va tenuto in considerazione.

Dal punto di vista di un orologio a bordo di un satellite GPS, la posizione della sorgente dei neutrini al CERN e quella del rivelatore al Gran sasso, cambia continuamente. "Dalla prospettiva dell'orologio, il rivelatore si muove verso la sorgente e di conseguenza, la distanza percorsa dai neutrini, misurata dal sistema di riferimento dell’orologio, è più corta" ha spiegato van Elburg. Ovviamente con questo intende che la distanza è più corta della distanza misurata nel sistema di riferimento a terra.

Calcoliamo il tempo di volo di particelle come i fotoni, che viaggiano alla velocita’ della luce da A in B, nel sistema di riferimento dell’orologio in orbita e confrontiamolo con quello misurato da un sistema di riferimento sulla Terra.

La distanza Sc tra la sorgente A e il rivelatore B nel sistema di riferimento in orbita e’ legata alla distanza misurata nel sistema di riferimento solidale con la Terra Sb tramite il fattore di Lorentz:

Da un punto di vista dell’orologio in orbita il rivelatore B si muove verso la sorgente A ad una velocita’ v. E quindi la distanza Sc sara’ coperta dai fotoni in un tempo nel sistema di riferimento dell’orologio dato da:

Da queste due relazioni ricaviamo che:

Nel sistema di riferimento solidale con la Terra invece il tempo impiegato dai fotoni per percorrere la distanza Sb non e’ dato da:

  come assunto dal team di Opera ma da:

 

 

La differenza tra questi due tempi  e’ data da:

 

 

Per calcolare questo valore abbiamo bisogno di ricavare la velocita’ del satellite GPS. Questa e’ data da:

dove R e’ la distanza tra il centro della Terra e il satellite e T il periodo di rotazione del satellite intorno alla Terra. R sara’ dato dalla somma del raggio terrestre piu’ l’altezza del satellite dalla superfice della Terra, cioe:

I satelliti GPS considerati nell’esperimento Opera orbitano da Ovest ad Est lungo un piano inclinato a 55 gradi rispetto all’equatore con un periodo di 11 h 58 min cioe’ circa 12 ore.  

Questo fa si che la velocita’ sia uguale a:

Sapendo che la distanza tra A e B e’ di:

e che:

otteniamo un valore di epsilon uguale a 32 ns. In altre parole il tempo di volo osservato e’ di 32 ns piu’ corto di quello trovato se avessimo usato un orologio solidale con la terra.

Tempo, che va raddoppiato perché lo stesso effetto vale ad ogni capo dell'esperimento. Quindi la correzione totale è di 64 nanosecondi, quasi esattamente quello che il team di OPERA ha osservato. Questa analisi del prof. Van Elburg è davvero un risultato notevole anche se il problema non è ancora da considerarsi chiuso. Come sempre nella scienza, serviranno ulteriori verifiche sia dei risultati dell'esperimento OPERA che di questa e altre pubblicazioni che verranno. Alla fine si andra’ in una direzione o nell’altra  solo ed esclusivamente in base alle prove ottenute.

Se la tesi di Van  Elburg risultera’ essere decisiva, l’esperimento Opera non solo non avrà evidenziato una falla nella teoria della Relatività di Einstein, ma sarebbe un ulteriore prova a sua favore.