Nel 1974 Stephen Hawking fece una delle sue previsioni più famose: che i buchi neri alla fine evaporassero del tutto.
Secondo la teoria di Hawking, i buchi neri non sono perfettamente "neri" ma invece in realtà emettono particelle. Questa radiazione, secondo Hawking, alla fine potrebbe sottrarre energia e massa sufficienti dai buchi neri per farli sparire. La teoria è ampiamente ritenuta vera, ma una volta si riteneva quasi impossibile dimostrarlo.
Per la prima volta, tuttavia, i fisici hanno mostrato questa radiazione sfuggente di Hawking - almeno in un laboratorio. Sebbene le radiazioni Hawking siano troppo deboli per essere rilevate nello spazio dai nostri strumenti attuali, i fisici hanno ora visto queste radiazioni in un analogo del buco nero creato usando onde sonore e parte della materia più fredda e strana nell'universo.
Coppie di particelle
I buchi neri esercitano una forza gravitazionale così incredibilmente potente che persino un fotone, che viaggia alla velocità della luce, non poteva sfuggire. Mentre il vuoto dello spazio è generalmente considerato vuoto, l'incertezza della meccanica quantistica impone invece che un vuoto brulichi di particelle virtuali che fluttuano dentro e fuori dall'esistenza in coppie materia-antimateria. (Le particelle di antimateria hanno la stessa massa delle loro controparti della materia, ma opposte alla carica elettrica.)
Normalmente, dopo che appare una coppia di particelle virtuali, si annichilano immediatamente. Accanto a un buco nero, le forze di gravità estreme invece separano le particelle, con una particella assorbita dal buco nero mentre l'altra si spara nello spazio. La particella assorbita ha energia negativa, che riduce l'energia e la massa del buco nero. Inghiotta abbastanza di queste particelle virtuali e il buco nero alla fine evapora. La particella in fuga diventa nota come radiazione Hawking.
Questa radiazione è abbastanza debole che al momento è impossibile per noi osservarla nello spazio, ma i fisici hanno escogitato modi molto creativi per misurarla in un laboratorio.
Un orizzonte degli eventi a cascata
Il fisico Jeff Steinhauer e i suoi colleghi del Technion - Israel Institute of Technology di Haifa hanno usato un gas estremamente freddo chiamato condensato di Bose-Einstein per modellare l'orizzonte degli eventi di un buco nero, il confine invisibile oltre il quale nulla può sfuggire. In un flusso fluente di questo gas, misero una scogliera, creando una "cascata" di gas; quando il gas scorreva sopra la cascata, trasformava abbastanza energia potenziale in energia cinetica per fluire più velocemente della velocità del suono.
Invece di particelle di materia e antimateria, i ricercatori hanno usato coppie di fononi, o onde sonore quantistiche, nel flusso di gas. Il fonone sul lato lento potrebbe viaggiare contro il flusso del gas, lontano dalla cascata, mentre il fonone sul lato veloce non potrebbe, intrappolato dal "buco nero" del gas supersonico.
"È come se stessi cercando di nuotare contro una corrente che andava più veloce di quanto tu potessi nuotare", ha detto Steinhauer a Live Science. "Ti sentiresti come se stessi andando avanti, ma stavi davvero tornando indietro. E questo è analogo a un fotone in un buco nero che cerca di uscire dal buco nero ma che viene tirato dalla gravità nel modo sbagliato."
Hawking predisse che la radiazione delle particelle emesse sarebbe in uno spettro continuo di lunghezze d'onda ed energie. Ha anche detto che potrebbe essere descritto da una singola temperatura che dipendeva solo dalla massa del buco nero. Il recente esperimento ha confermato entrambe queste previsioni nel buco nero sonico.
"Questi esperimenti sono un tour de force", ha detto a Live Science Renaud Parentani, fisico teorico al Laboratoire de Physique Théorique dell'Università di Parigi-Sud. Parentani studia anche i buchi neri analogici ma da un punto di vista teorico; non era coinvolto nel nuovo studio. "È un esperimento molto preciso. Dal punto di vista sperimentale, Jeff è davvero, al momento, l'esperto leader mondiale nell'uso di atomi freddi per sondare la fisica del buco nero."
Parentani, tuttavia, ha sottolineato che questo studio è "un passo avanti in un lungo processo". In particolare, questo studio non ha mostrato che le coppie di fononi siano correlate a livello quantico, che è un altro aspetto importante delle previsioni di Hawking.
"La storia continuerà", ha detto Parentani. "Non è affatto la fine."
