Credit: RUDN University

Le teorie di Hawking e Einstein

La radiazione di Hawking è la radiazione termica che si prevede venga emessa precipitosamente da un buco nero. Emerge dalla costante conversione delle fluttuazioni del vuoto quantistico in coppie di particelle, una delle quali fuoriesce all’infinito mentre l’altra è intrappolata all’interno dell’orizzonte del buco nero.

La Teoria della gravitazione di Einstein si riferisce alla recente rivelazione delle onde gravitazionali, lascia aperte ancora alcune questioni, compresa la natura della singolarità, della materia oscura, della energia oscura e la questione della gravità quantistica.

Inoltre, le osservazioni delle onde gravitazionali non escludono che le teorie della gravitazione alternativa possano essere accurate e possano essere utilizzate per descrivere i buchi neri. Tali teorie, che includono componenti quantistiche aggiuntive, non contraddicono l’immagine osservata delle fusioni di buchi neri.

I calcoli effettuati seguendo queste teorie prevedono lo stesso comportamento dei buchi neri a grande distanza l’uno dall’altro, ma allo stesso tempo, dimostrano importanti caratteristiche vicino all’orizzonte degli eventi: il “bordo” del buco nero oltre il quale non c’è ritorno.

Si crede comunemente che sia impossibile oltrepassare l’orizzonte degli eventi di un buco nero perché nulla può sfuggire, comprese particelle e radiazioni. Tuttavia, Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri potrebbero “evaporare” emettendo varie particelle elementari.

Significa che tutte le informazioni assorbite dal buco nero possono scomparire. Ciò è contrario alle idee di base: è accettato che le informazioni non possano scomparire senza lasciare alcuna traccia. In questo modo, le ipotesi di gravitazione alternative, pianificate per eliminare questo paradosso, sono diventate progressivamente ben note poiché potevano supportare una teoria della gravitazione quantistica.

Quasinormal modes (QNM)

Un altro approccio promettente – la gravità di Einstein-Gauss-Bonnet – applica componenti quantistiche come correzione alla teoria della relatività generale. Oltre alla parte di Einstein, contiene termini di curvatura quadratica e un campo scalare.

Per una comprensione dettagliata di come un buco nero risponde alle perturbazioni gravitazionali esterne, gli scienziati spesso usano il concetto di Quasinormal modes (QNM), le modalità di dissipazione di energia di un oggetto o campo perturbato. 

In altre parole, le modalità descrivono le perturbazioni di un’area che decadono nel tempo. Queste modalità sono anche quasinormali perché svaniscono nel tempo e la loro ampiezza può essere misurata solo per un piccolo periodo.

La nuova formula

In un nuovo studio, il fisico dell’Università RUDN, in collaborazione con le scienziate della Repubblica Ceca Antonina Zinhailo e Zdeněk Stuchlík, ha studiato la radiazione classica (quasinormale) e quantistica (Hawking) dei campi di test sullo sfondo di un buco nero quadridimensionale, sfericamente simmetrico e asintoticamente piatto nella teoria di Einstein-Gauss-Bonnet con dilatone (ipotetica particella elementare). 

Trovano una formula per calcolare la radiazione di Hawking sull’orizzonte degli eventi di un buco nero, che consente ai fisici di determinare come questa radiazione sarebbe cambiata, con correzioni quantistiche alla teoria della gravità di Einstein.

La formula può essere utilizzato per calcolare le modalità quasinormali dello scalare di test e dei campi di Maxwell e stimare l’intensità della radiazione di Hawking per il buco nero di Einstein dilaton Gauss-Bonnet.

Gli scienziati ritengono che “Questa formula consentirà ai ricercatori di testare l’accuratezza delle diverse versioni della teoria della gravità quantistica osservando i buchi neri e comprende un passo verso la “teoria della grande unificazione” a lungo cercata che collegherebbe la meccanica e la relatività quantistiche”.

I campi di testo sono tutti campi nelle vicinanze di un buco nero perché si propagano sul suo sfondo (ad esempio un campo di Dirac o un campo elettromagnetico). L’intensità della radiazione elettromagnetica di Hawking e il campo di Dirac si sono dimostrati una caratteristica significativamente più sensibile del suo spettro quasinormale, mostrando un aumento del tasso di emissione di energia del 57% e del 48%, rispettivamente ai campi.

Roman Konoplya, ricercatore presso l’Istituto educativo e di ricerca di gravitazione e cosmologia dell’Università RUDN, ha dichiarato: “Abbiamo ottenuto una stima dell’intensità dell’evaporazione Hawking dei buchi neri tenendo conto delle correzioni quantistiche alla geometria del buco nero”.

“Le radiazioni classiche (ad es. Onde elettromagnetiche o di altro tipo) differiscono solo di poco dalle percentuali di Einstein, la radiazione di Hawking è un meccanismo molto più sensibile. Le Quasinormal modes sono le frequenze della radiazione classica, che, a differenza delle modalità quantistiche, differiscono poco dal caso di Einstein. In futuro, forse, osservando i primi buchi neri che sono comparsi nell’universo primordiale, questo potrebbe chiarire le nostre idee sulle correzioni quantistiche alla gravità. “

L’ articolo è stato pubblicato sulla rivista Physical Review D.

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