CHE COS'è UNA SINGOLARITà?

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Da quando gli scienziati hanno scoperto l'esistenza dei buchi neri nel nostro universo, ci siamo tutti chiesti: cosa potrebbe esistere oltre il velo di quel terribile vuoto? Inoltre, sin dalla prima proposta della teoria della relatività generale, gli scienziati sono stati costretti a chiedersi, cosa sarebbe potuto esistere prima della nascita dell'Universo, cioè prima del Big Bang?

È interessante notare che queste due domande sono state risolte (dopo una moda) con l'esistenza teorica di qualcosa noto come singolarità gravitazionale - un punto nello spazio-tempo in cui le leggi della fisica così come le conosciamo si infrangono. E mentre permangono sfide e problemi irrisolti su questa teoria, molti scienziati credono che sotto il velo di un orizzonte degli eventi, e all'inizio dell'Universo, questo fosse ciò che esisteva.

Definizione:

In termini scientifici, una singolarità gravitazionale (o singolarità spazio-temporale) è un luogo in cui le quantità utilizzate per misurare il campo gravitazionale diventano infinite in un modo che non dipende dal sistema di coordinate. In altre parole, è un punto in cui tutte le leggi fisiche sono indistinguibili l'una dall'altra, in cui spazio e tempo non sono più realtà interconnesse, ma si fondono indistinguibilmente e cessano di avere un significato indipendente.

Origine della teoria:

Le singolarità sono state predicate per la prima volta a seguito della teoria della relatività generale di Einstein, che ha portato all'esistenza teorica dei buchi neri. In sostanza, la teoria prevedeva che qualsiasi stella che raggiungesse oltre un certo punto della sua massa (alias il raggio di Schwarzschild) avrebbe esercitato una forza gravitazionale così intensa da collassare.

A questo punto, nulla sarebbe in grado di sfuggire alla sua superficie, compresa la luce. Ciò è dovuto al fatto che la forza gravitazionale supererebbe la velocità della luce nel vuoto - 299.792.458 metri al secondo (1.079.252.848,8 km / h; 670.616.629 mph).

Questo fenomeno è noto come Limite Chandrasekhar, dal nome dell'astrofisico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar, che lo propose nel 1930. Attualmente si ritiene che il valore accettato di questo limite sia 1,39 Masse solari (cioè 1,39 volte la massa del nostro Sole), che risolve un enorme 2.765 x 10³⁰ kg (o 2.765 trilioni di miliardi di tonnellate).

Un altro aspetto della moderna relatività generale è che al tempo del Big Bang (cioè lo stato iniziale dell'Universo) era una singolarità. Roger Penrose e Stephen Hawking hanno entrambi sviluppato teorie che hanno cercato di rispondere a come la gravitazione potesse produrre singolarità, che alla fine si sono fuse insieme per essere conosciute come teoremi di singolarità di Penrose-Hawking.

Secondo il teorema di singolarità di Penrose, che ha proposto nel 1965, una singolarità simile al tempo si verificherà all'interno di un buco nero ogni volta che la materia raggiunge determinate condizioni energetiche. A questo punto, la curvatura dello spazio-tempo all'interno del buco nero diventa infinita, trasformandola in una superficie intrappolata dove il tempo cessa di funzionare.

Il teorema della singolarità Hawking si è aggiunto a questo affermando che una singolarità simile allo spazio può verificarsi quando la materia viene compressa forzatamente in un punto, causando il crollo delle regole che governano la materia. Hawking risaliva indietro nel tempo al Big Bang, che sosteneva fosse un punto di densità infinita. Tuttavia, Hawking in seguito lo ha rivisto per affermare che la relatività generale si rompe a volte prima del Big Bang, e quindi nessuna singolarità non poteva essere prevista da esso.

Alcune proposte più recenti suggeriscono anche che l'Universo non è iniziato come una singolarità. Queste includono teorie come la Gravità Quantistica del Loop, che tenta di unificare le leggi della fisica quantistica con la gravità. Questa teoria afferma che, a causa degli effetti della gravità quantistica, esiste una distanza minima oltre la quale la gravità non continua più ad aumentare, o che le onde di particelle interpenetranti mascherano effetti gravitazionali che sarebbero percepiti a distanza.

Tipi di singolarità:

I due tipi più importanti di singolarità spazio-temporali sono noti come singolarità di curvatura e singolarità coniche. Le singolarità possono anche essere divise in base al fatto che siano coperte o meno da un orizzonte degli eventi. Nel caso del primo, hai la curvatura e il cono; mentre in quest'ultimo caso hai quelle che sono conosciute come Singolarità Nude.

Una singolarità di curvatura è meglio esemplificata da un buco nero. Al centro di un buco nero, lo spazio-tempo diventa un punto monodimensionale che contiene un'enorme massa. Di conseguenza, la gravità diventa infinita e le curve spazio-tempo infinitamente e le leggi della fisica così come le conosciamo cessano di funzionare.

Le singolarità coniche si verificano quando esiste un punto in cui il limite di ogni quantità generale di covarianza è finito. In questo caso, lo spazio-tempo sembra un cono attorno a questo punto, in cui la singolarità si trova sulla punta del cono. Un esempio di tale singolarità conica è una stringa cosmica, un tipo di ipotetico punto unidimensionale che si ritiene si sia formato durante l'Universo primordiale.

E, come detto, c'è la Naked Singularity, un tipo di singolarità che non è nascosto dietro un orizzonte degli eventi. Questi furono scoperti per la prima volta nel 1991 da Shapiro e Teukolsky usando simulazioni al computer di un piano rotante di polvere che indicava che la Relatività Generale poteva consentire singolarità "nude".

In questo caso, ciò che effettivamente traspare all'interno di un buco nero (cioè la sua singolarità) sarebbe visibile. Tale singolarità sarebbe teoricamente quella che esisteva prima del Big Bang. La parola chiave qui è teorica, in quanto rimane un mistero l'aspetto di questi oggetti.

Per il momento, le singolarità e ciò che effettivamente giace sotto il velo di un buco nero rimane un mistero. Col passare del tempo, si spera che gli astronomi saranno in grado di studiare i buchi neri in modo più dettagliato. Si spera anche che nei prossimi decenni, gli scienziati troveranno un modo per unire i principi della meccanica quantistica con la gravità e che questo farà ulteriore luce su come opera questa forza misteriosa.

Abbiamo molti articoli interessanti sulle singolarità gravitazionali qui su Space Magazine. Ecco 10 fatti interessanti sui buchi neri, che aspetto avrebbe un buco nero? Il Big Bang era solo un buco nero? Addio Big Bang, ciao Black Hole? Chi è Stephen Hawking? un buco nero?

Se desideri maggiori informazioni sulla singolarità, consulta questi articoli della NASA e Physlink.

Il cast di astronomia ha alcuni episodi rilevanti sull'argomento. Ecco l'episodio 6: ulteriori prove del Big Bang e l'episodio 18: Black Holes Big and Small e l'episodio 21: Black Hole: domande e risposte.

fonti: