Perché si parla improvvisamente dei buchi bianchi

I buchi neri certamente non hanno bisogno di presentazioni. Diverso il discorso per i loro parenti meno conosciuti: i buchi bianchi, regioni del cosmo che emettono costantemente materia ed energia, e dotate di un orizzonte degli eventi oltre il quale – esattamente all’opposto di quanto accade nei buchi neri – nulla può entrare. La loro esistenza emerge dalle equazioni di campo con cui Alebert Einstein ha descritto la sua teoria della relatività generale. Ma a differenza dei buchi neri, quelli bianchi sono ritenuti da moltissimi esperti un puro artefatto matematico, una stranezza che si ottiene portando all’estremo le variabili delle formule con cui cerchiamo di descrivere il nostro Universo. Non è così per Carlo Rovelli, fisico teorico e divulgatore di fama internazionale, che nel suo ultimo libro appena pubblicato da Adelphi, “Buchi bianchi – Dentro l’orizzonte”, racconta la sua teoria sui buchi bianchi: oggetti fisici a tutti gli effetti, che rappresenterebbero semplicemente una fase più avanzata nel ciclo vitale dei buchi neri.

La storia è questa. Le equazioni della relatività generale pubblicate da Einstein nel 1916 descrivono il funzionamento della gravità legandone gli effetti alla geometria dello spazio-tempo. Tanto più una massa è grande, tanto più curva lo spazio tempo, attirando verso di sé altre masse che vengono a trovarsi nel risultante campo gravitazionale. Quando la massa supera una certa grandezza le equazioni rivelano una situazione peculiare: si crea una singolarità, un punto in cui lo spaziotempo collassa fino a raggiungere valori di curvatura infiniti. In alcune condizioni, le soluzioni delle equazioni prevedono un fenomeno piuttosto strano, cioè la presenza di una singolarità sia con un valore positivo per la variabile T (il tempo), che rappresenta un normale buco nero, sia con un valore negativo, nel qual caso ci troveremmo tra le mani il suo opposto: un buco bianco.

Le proprietà matematiche dei buchi neri descrivono l’esistenza di un orizzonte degli eventi, un punto nello spazio superato il quale l’attrazione della loro massa impedisce a qualunque cosa, luce compresa, di tornare indietro, e di una singolarità al loro centro, in cui ogni cosa che precipita nel buco nero è destinata a finire compressa in un punto di spazio dove la densità della materia diventa infinita, e le leggi della fisica perdono di significato. Per i buchi bianchi, invece, tutto il contrario: dalla singolarità verrebbero espulse costantemente materia ed energia, che supererebbero un orizzonte degli eventi dal quale non è mai possibile tornare indietro.

In origine, buchi neri e bianchi erano entrami oggetti cosmici estremamente ipotetici. Un secolo di ricerche ha permesso però di caratterizzare sempre meglio le proprietà dei buchi neri, rendendone l’esistenza viepiù plausibile. Fino ad arrivare alle conferme sperimentali, ottenute prima dagli esperimenti Ligo e Virgo che ne hanno “ascoltato” le onde gravitazionali, e poi dall’Event Horizon Telescope, che di recente ci ha fornito una prova pressoché inequivocabile: la prima immagine di un buco nero. I buchi bianchi invece non hanno avuto la stessa fortuna: prove o indizi della loro esistenza non ci sono, e a tutt’oggi la maggior parte dei fisici ritiene che non esistano realmente.

Di tanto in tanto, a dire al verità, si prova a darne ragione come alter ego dei gemelli neri: un portale situato dall’altro lato di un buco nero, che potrebbe dare accesso a punti lontanissimi nell’Universo (è la teoria del cosiddetto ponte di Einstein-Rosen su cui si basano topos fantascientifici come i tunnel spaziali), o addirittura ad altri universi paralleli al nostro. Proposte intriganti, che hanno il pregio di risolvere uno dei principali misteri che accompagnano i buchi neri: che fine fa la materia che precipita al loro interno?

È qui, in effetti, che entra in gioco la teoria elaborata da Rovelli, offrendo una spiegazione alternativa del legame tra buchi neri e buchi bianchi, che permette di fare a meno di alcune delle ipotesi più fantasiose proposte negli scorsi decenni. “Non sono mai stato molto convinto dalle speculazioni sui wormholes e sugli universi paralleli”, racconta in proposito Rovelli a Today.it. “Non perché penso che siano cose a priori impossibili, ma perché non trovo molto convincenti gli argomenti a favore della loro esistenza”.

Come spiega lui stesso in un articolo pubblicato sul New Scientist nel 2018, anche le previsioni che si ottengono dalla teoria della relatività generale sulle condizioni presenti all’interno di un buco nero non sono molto convincenti, perché la singolarità prevista dalla teoria non sarebbe governata dalle leggi della relatività di Einstein. Secondo Rovelli, per comprendere cosa accade all’interno di un buco nero bisogna fare ricorso alla fisica quantistica, e più in particolare ad una teoria chiamata Loop Quantum Gravity: postulando che lo spazio abbia una natura discreta (e non continua), che sia quindi quantizzato come lo è l’energia nella fisica quantistica, non si arriva mai a uno stato di densità infinita, perché esiste una porzione di spazio minima al di sotto della quale non è possibile andare.

Se fosse vero, al centro di un buco nero la materia si ammasserebbe in uno stato super-denso in quella che la Loop Quantum Gravity ha battezzato stella di Plank, e resterebbe così almeno per un po’. E poi? Trascorso un tempo sufficiente la materia condensata al centro di un buco nero rimbalzerebbe, proiettata al di fuori dell’orizzonte degli eventi di quello che a quel punto si sarebbe trasformato in un buco bianco.

Come spiega Rovelli, la peculiare elasticità dello spazio-tempo descritta dalle equazioni di Einstein permette di immaginare che l’altro lato di un buco nero non sia un altro luogo nello spazio, quanto lo stesso luogo in un altro tempo: la materia e la geometria stessa del buco nero possono raggiungere il suo centro, e poi proseguire al di là nel futuro. Perché questo sia possibile, l’orizzonte degli eventi del buco nero deve trasformarsi, in qualche momento, in quello di un buco bianco. Anche in questo caso, il tutto è reso possibile dalle regole della fisica quantistica, attraverso un fenomeno conosciuto come quantum tunneling, che equivale fondamentalmente a una breve violazione delle leggi della fisica classica, che ha una probabilità bassissima, ma non nulla, di accadere.

Con tutte queste premesse, Rovelli dimostra che è possibile immaginare i buchi bianchi come lo stadio finale della vita dei buchi neri, parte di un ciclo in cui la materia prima collassa formando una singolarità che tutto ingoia, e poi “esplode” sgorgando dalla stessa regione di spazio, ormai trasformata in un buco bianco. Se fosse vero, non è detto che simili buchi bianchi siano osservabili in questo momento nel nostro Universo (la transizione potrebbe richiedere tempi estremamente lunghi). Ma la loro presenza non è neanche impossibile, anzi: se si trattasse di buchi bianchi estremamente piccoli (che impiegherebbero meno tempo a formarsi) potrebbero addirittura essere la famosa materia oscura di cui gli astronomi vanno a caccia da decenni. Ancor più intrigante, probabilmente, è la possibilità che tutto il nostro Universo sia nato da un enorme buco bianco: il Big Bang, allora, non sarebbe allora che la transizione dal collasso definitivo di un precedente universo, all’esplosione di un nuovo buco bianco.

Come si può verificare una simile teoria? “Ci sono diverse possibilità – ci spiega Rovelli – una è identificare fra i tanti segnali che vediamo nel cielo una radiazione di frequenza molto bassa che potrebbe essere emessa dai buchi bianchi. Si tratterebbe di un’emissione molto debole, e quindi potremmo vederla solo se ci fossero molti buchi bianchi. Una seconda possibilità è accumulare indizi che i buchi bianchi siano una componente della materia oscura, che è una polvere cosmica molto diffusa che per ora nessuno sa cosa sia. C'è anche un suggerimento di costruire un rivelatore dedicato, qui sulla terra – conclude il fisico – ma a dire la verità, non so quanto sia plausibile”. 

La teoria del buco bianco.@carlorovelli con il libro Buchi bianchi a #CTCF. pic.twitter.com/SBS8n0lLkG

— Che Tempo Che Fa (@chetempochefa) March 5, 2023