A 10 anni dalla prima rilevazione delle onde gravitazionali arriva la conferma del teorema di Hawking

Nelle scorse settimane abbiamo scritto diffusamente delle straordinarie immagini catturate dal telescopio spaziale James Webb, come quelle di Pismis 24 o di IRAS 04302 + 2247. Si tratta di esempi di una modalità di osservazione dell'Universo (grazie all'emissione di onde elettromagnetiche) alla quale, da dieci anni, si è unita quella della rilevazione delle onde gravitazionali entrando nell'era dello studio del Cosmo con modalità multi-messaggero.

Teorizzate da Albert Einstein oltre un secolo prima è stato necessario attendere che il progresso tecnologico permettesse di rilevare "pieghe" nel tessuto spaziotemporale che lo modificano in maniera quasi impercettibile. Anche eventi estremamente energici, come le fusioni di buchi neri, arrivano a modificare lo spaziotempo del millesimo del diametro di un protone. Per questo l'utilizzo di più sistemi (LIGO, Virgo e KAGRA in USA, Italia e Giappone) è fondamentale per cercare di ridurre le problematiche legate al rumore introdotto dalle varie variabili ambientali.

I sistemi (basati su interferometri) sono stati migliorati via via con il tempo arrivando a rilevare un totale di circa 300 fusioni di buchi neri con moltissimi segnali candidati rilevati durante le ultime sessioni. GW250114 è un segnale simile a GW150914 (il primo rilevato) che ha visto la fusione di due buchi neri con masse da 30 a 40 volte quelle del Sole. Proprio il progresso tecnologico ha fatto in modo che pur essendo simili, la qualità del segnale sia di gran lunga superiore per l'ultimo evento.

Il teorema di Hawking sull'area dell'orizzonte degli eventi post-fusione

Grazie alla rilevazione di GW250114 è stato possibile, per la seconda volta (e con migliore accuratezza) confermare il teorema di Hawking sull'area dell'orizzonte degli eventi di un buco nero creato dalla fusione di due buchi neri originari. Il teorema, formulato all'inizio degli anni '70, indica come la superficie risultante del buco nero finale originato dalla fusione di due buchi neri non possa diminuire, ma essere o uguale o superiore alla somma.

Si tratta di un concetto che può sembrare contro intuitivo se si pensa che la fusione di due buchi neri libera energia sotto forma di onde gravitazionali e che anche lo spin (rotazione) possa aumentare. Questa idea venne ulteriormente elaborata da Hawking e dal fisico Bekenstein che conclusero come l'area di un buco nero fosse proporzionale alla sua entropia (il grado di disordine). Chiaramente gli studi teorici sono un inizio, ma è con l'arrivo della conferma sperimentale che gli elementi assumono concretezza.

Una prima conferma avvenne già analizzando i dati di GW150914 ma, come scritto, la loro nitidezza era inferiore a quelle di GW250114 (il primo aveva un livello di confidenza del 95% il secondo del 99,999%). I dati risultanti da questo ultimo evento sono stati inseriti nello studio dal titolo GW250114: Testing Hawking’s Area Law and the Kerr Nature of Black Holes che ha confermato come Hawking avesse ragione. Due buchi neri che si fondono creano un buco nero la cui area dell'orizzonte degli eventi è superiore alla somma delle aree dei singoli oggetti prima dell'unione. Questo significa anche che l'entropia crescerà (lo stato di maggiore disordine del sistema) poiché un'area maggiore corrisponde a un numero maggiore di stati quantistici possibili.

Stando alle informazioni dello studio, la rilevazione ha permesso di capire come i buchi neri iniziali avessero una superficie totale di 240.000 chilometri quadrati mentre l'area finale del buco nero (post-fusione) era di circa 400.000 chilometri quadrati. Ricordiamo che siamo solo all'inizio dell'utilizzo delle onde gravitazionali per studiare l'Universo insieme ad altre tipologie di messaggi. Molto c'è ancora da fare ma sono in arrivo anche nuovi strumenti come le sonde spaziali LISA dell'ESA.