In questo articolo Indice dei contenuti 2 sezioni
Nelle equazioni di Einstein, a più di un secolo dalla loro formulazione, si nasconde ancora qualcosa di inatteso. Due fisici hanno individuato un processo teorico chiamato riconnessione gravitazionale, in cui le strutture che compongono un campo gravitazionale possono spezzarsi e ricollegarsi in una configurazione diversa, trasferendo energia alla materia. Lo studio porta la firma di Luca Comisso, ricercatore associato nei dipartimenti di Astronomia e Fisica della Columbia University e del Columbia Astrophysics Laboratory, e di Felipe A. Asenjo della Universidad Adolfo Ibáñez, in Cile.
Il punto di partenza è stato guardare le equazioni da un’altra angolazione matematica. Così è emersa una somiglianza sorprendente tra la gravità e il comportamento dei plasmi, cioè i gas elettricamente carichi. Non si tratta di un dettaglio marginale, perché il fenomeno ricorda da vicino il meccanismo che alimenta alcune delle eruzioni più potenti del Sole. E potrebbe aiutare a capire come si comporta la gravità in condizioni estreme, per esempio durante lo scontro tra due buchi neri, dove lo spaziotempo viene deformato al punto da rendere complicate da interpretare anche le simulazioni più potenti.
Dai brillamenti solari ai “fogli” dello spaziotempo
Per capire la scoperta bisogna partire dalla riconnessione magnetica. I campi magnetici vengono spesso raffigurati con linee curve, come quelle disegnate dalla limatura di ferro attorno a una calamita o gli enormi archi che si sollevano sopra la superficie solare. In un plasma queste linee possono essere tirate, attorcigliate e stirate finché, in certe condizioni, cambiano di colpo i loro collegamenti. “La riconnessione magnetica avviene quando queste linee di campo, in una configurazione specifica, si rompono e si riattaccano in una configurazione diversa” ha spiegato Comisso. “Quando si spezzano e si ricollegano, rilasciano energia.” È il processo dietro ai brillamenti solari, tra i meccanismi più importanti per liberare energia nell’universo.
La gravità però vive nello spaziotempo a quattro dimensioni, tre spaziali e una temporale, e questo cambia parecchio le cose. “Siccome lo spaziotempo ha quattro dimensioni anziché tre, la gravità coinvolge qualcosa di simile a fogli di campo invece che linee” ha chiarito il ricercatore. Aggiungendo una dimensione a una linea si ottiene un piano, in pratica tante linee messe insieme. Anche questi fogli, nelle giuste condizioni, possono riorganizzare i propri collegamenti. Vanno intesi come rappresentazioni matematiche e non come superfici fisiche che si strappano davvero. La loro riconnessione descrive un modo con cui il campo gravitazionale cede energia alla materia.
Regole nascoste e buchi neri
Il nuovo lavoro, intitolato “Reconnection of Gravitational Fields”, è uscito su Physical Review D, rivista dell’American Physical Society. Si appoggia su uno studio precedente pubblicato su Physical Review Letters da Comisso, Asenjo e Maricarmen A. Winkler, che aveva individuato vincoli matematici su come la geometria dello spaziotempo può piegarsi, allungarsi ed evolvere. Restrizioni già contenute nella teoria di Einstein ma mai riconosciute in quella forma. “Le equazioni di Einstein contengono vincoli sull’evoluzione dello spaziotempo che non sono immediatamente evidenti” ha detto Asenjo. Nella ricerca più recente i due studiosi hanno esaminato cosa succede quando vengono meno le condizioni ideali che di solito preservano i collegamenti all’interno del campo, scoprendo che quei legami possono cambiare.
Tutto questo si regge su una formulazione alternativa delle equazioni sviluppata negli ultimi anni, matematicamente equivalente all’originale ma molto simile a quelle usate per studiare i plasmi. Comisso ha dedicato la carriera proprio a questi gas, presenti nel Sole, negli esperimenti di fusione nucleare e in buona parte dello spazio tra le stelle. Il vantaggio è poter prevedere alcuni schemi dello spaziotempo senza risolvere ogni singolo passaggio. “Anche senza fare il calcolo completo sappiamo che lo spaziotempo deve comportarsi in un certo modo” ha osservato.
L’applicazione più promettente riguarda le collisioni tra buchi neri, oggi studiate con enormi simulazioni al supercomputer che servono anche a prevedere le onde gravitazionali captate da strumenti come LIGO. Le nuove regole potrebbero affiancare queste simulazioni e chiarire come si trasferisce l’energia negli eventi più estremi. Per ora la riconnessione gravitazionale resta un risultato teorico, e non è ancora stato stabilito come operi in ambienti astrofisici reali né se i suoi effetti siano osservabili. Il passo successivo sarà analizzarla in casi specifici, a partire dalla fusione di due buchi neri, con l’obiettivo di stimare l’energia liberata e capire se lascia tracce riconoscibili nei segnali gravitazionali. La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dalla NASA.
Fonte: TecnoAndroid