Immaginate un’onda gravitazionale – una minuscola increspatura del tessuto stesso dell’universo – che si avventura in un viaggio epico, attraversando il territorio più estremo mai concepito: lo spaziotempo deformato di un buco nero. È questo lo scenario mozzafiato che un team di scienziati delle Università di Otago e Canterbury ha finalmente catturato, grazie a una simulazione numerica pionieristica pubblicata sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.
Questa impresa scientifica non è soltanto un traguardo tecnico: rappresenta la prima simulazione che segue interamente il percorso di un’onda gravitazionale, dalla sua origine nell’oscurità dell’“infinito nullo passato” – la regione remota dello spaziotempo da cui provengono le onde in arrivo – fino alla sua destinazione nell’“infinito nullo futuro”, dove si irradiano nel cosmo.
L’enigma dello scattering gravitazionale
Al centro di questo studio c’è uno dei misteri più affascinanti della fisica gravitazionale: lo scattering, ovvero la dispersione delle onde gravitazionali quando interagiscono con oggetti colossali come i buchi neri. Che cosa accade a queste onde? Quanta energia viene assorbita, e quanta sfugge, portando con sé informazioni preziose sul buco nero stesso?
Fino ad oggi, le simulazioni numeriche tradizionali erano limitate a regioni finite dello spaziotempo, non riuscendo a catturare l’intero percorso delle onde né a definire con precisione la relazione di causa-effetto tra l’onda in ingresso e quella in uscita. Ma ora, grazie a un approccio innovativo basato sulle Equazioni di Campo Conforme Generalizzate di Friedrich (GCFE), i ricercatori hanno ridotto l’infinito a dimensioni computabili, portandolo letteralmente dentro il computer.
Il software COFFEE e lo spaziotempo in tazza
Per realizzare questa simulazione, hanno creato un software su misura, il COnFormal Field Equation Evolver (COFFEE), capace di evolvere nel tempo queste onde gravitazionali in uno spaziotempo dinamico. COFFEE ha tracciato il viaggio di impulsi di diversa intensità mentre attraversavano un buco nero di Schwarzschild – il tipo più semplice e simmetrico di buco nero, descritto dalla teoria della relatività generale.
I risultati hanno mostrato la sorprendente rigidità dello spaziotempo: per onde di debole intensità, soltanto circa l’8,5% dell’energia è stata dispersa verso l’infinito, mentre la maggior parte è stata catturata dal buco nero. Anche aumentando l’intensità dell’onda, solo circa il 20% è riuscito a sfuggire. È come se il buco nero fosse una gigantesca rete cosmica capace di intrappolare la maggior parte delle increspature gravitazionali che osano sfidarlo.
La voce del buco nero
Ma non finisce qui. I ricercatori hanno osservato un fenomeno affascinante: man mano che l’onda usciva dal buco nero, lo spaziotempo deformato generava nuovi modi d’onda, un effetto noto come retroazione gravitazionale. Come un’orchestra cosmica, le onde interagivano con lo stesso spaziotempo, creando armoniche complesse.
Quando la radiazione raggiungeva l’infinito nullo futuro, i ricercatori hanno udito – matematicamente parlando – il “suono” del buco nero: le caratteristiche oscillazioni dette quasinormal ringing, la firma inconfondibile di un buco nero. Questa frequenza, curiosamente, non dipendeva dall’intensità dell’onda in arrivo: è un tratto distintivo, un’impronta digitale del buco nero stesso.
Una finestra sull’universo delle onde gravitazionali
Per misurare l’energia e la radiazione, i fisici hanno utilizzato due strumenti teorici preziosi: l’energia di Bondi e le notizie di Bondi. La prima permette di calcolare quanta energia fluisce lungo i coni di luce nello spaziotempo, la seconda registra la presenza stessa della radiazione gravitazionale. Grazie a queste grandezze, i ricercatori hanno potuto verificare con precisione la conservazione dell’energia durante le simulazioni.
Come ha sottolineato il Dr. Chris Stevens, è la prima volta che possiamo osservare con rigore matematico l’intero ciclo di vita di un’onda gravitazionale attorno a un buco nero: dall’ingresso all’infinito nullo passato fino all’uscita verso l’infinito nullo futuro. È un passo cruciale per capire quanta energia i buchi neri riescono ad assorbire e quanta restituiscono al cosmo.
Un orizzonte da esplorare
Questa simulazione rivoluzionaria non è soltanto un trionfo computazionale: è una lente d’ingrandimento sul comportamento più estremo dello spaziotempo, un laboratorio virtuale per testare la teoria di Einstein in condizioni impossibili da ricreare sulla Terra. Le onde gravitazionali, registrate da osservatori come LIGO, ci offrono già un assaggio di questo mondo estremo. Ora, grazie a simulazioni come questa, possiamo finalmente decifrare i messaggi che le onde trasportano, portandoci sempre più vicini a comprendere i segreti dei buchi neri e della gravità stessa.
In definitiva, è come se, per la prima volta, avessimo seguito un battito del cuore dell’universo. E con esso, la promessa di nuovi orizzonti da esplorare.
Stefano Camilloni
