Stella di Planck
In questo nuovissimo articolo parleremo delle stelle di Planck, una tipologia ipotetica di stella che potrebbe sostituire il concetto di singolarità. Ma non solo: in questo articolo parleremo anche delle altre tipologie di stelle esotiche, composte, cioè, da materia non ordinaria. Curiosi di sapere di che cosa di tratta? Allora seguiteci su Eagle sera, ma... Attenzione! Allacciate le cinture! Stiamo per intraprendere un viaggio là, dove nessuno ha mai viaggiato: nel mondo della MATERIA ESOTICA!!!
Di che si tratta?
Con la Stella di Planck entriamo nel mondo della gravità quantistica. La Stella di Planck è lo stato finale di una stella, la sua implosione, ma non la sua morte. La Stella di Planck è "solo" lo stato estremo della materia. Quando una stella implode, per varie cause non ancora ben conosciute, può verificarsi che la pressione generata dalle fluttuazioni quantistiche dello spazio-tempo bilanci il peso della materia, allora si determina una concentrazione di materia stellare, fino ad una dimensione simile a quella di un atomo, cioè fino a diventare una Stella di Planck. La stella di origine diventa così una Stella di Planck. Una Stella di Planck però non è stabile: una volta compressa al massimo, rimbalza e comincia a riespandersi. La Stella di Planck sta solleticando l'immaginazione dei fisici, immaginazione necessaria al loro lavoro di verifica delle ipotesi, fino ad arrivare all'idea che il nostro mondo potrebbe essere nato da un universo precedente che stava contraendosi sotto il proprio peso, fino a schiacciarsi in uno spazio piccolissimo, per poi rimbalzare e ricominciare ad espandersi, diventando l'universo in espansione che osserviamo intorno a noi.
Approfondiamo
Se una stella è abbastanza massiccia, quando muore buona parte della sua massa collassa e forma un buco nero: una regione dello spazio dove la velocità di fuga necessaria per sfuggire alla propria gravità è più alta di quella della luce. Questo confine di fuga si chiama "orizzonte degli eventi" ed è quello che delimita un punto dello spazio conosciuto come singolarità, la quale è caratterizzata da un volume infinitesimale ma da una massa elevatissima. La materia che attraversa il confine non ha modo di uscire. Tuttavia, a livello quantistico le cose si fanno più complesse e grazie ad un fenomeno chiamato "fluttuazione quantistica", alcune particelle al confine riescono a sfuggire e a far perdere energia, quindi massa, al buco nero; l'energia che sfugge si traduce in quella che viene chiamata "Radiazione di Hawking". Questo significa che in un tempo sufficientemente lungo anche i buchi neri possono perdere la loro massa e morire. Ma cosa ne rimarrebbe? Questa domanda molto affascinante viene affrontata in una recente ricerca pubblicata da due scienziati: Carlo Rovelli e Francesca Vidotto. Si tratta ancora di un'indagine altamente speculativa e molti dibattiti continuano a tenere banco nella comunità scientifica intorno a cosa davvero succede all'orizzonte degli eventi dei buchi neri. Tanto più che a onor del vero la stessa radiazione di Hawking non è stata ad oggi ancora osservata o misurata. L'idea affrontata però è molto intrigante ed offre sicuramente molti spunti di riflessione. I buchi neri perdono energia (e quindi massa) attraverso la radiazione di Hawking. La quantità di radiazione è inversamente proporzionale alla sua massa e quindi man mano che questo diventerà più piccolo rilascerà molta più radiazione di Hawking. Gli autori fanno riferimenti nella loro ricerca al problema della singolarità. Nell'attuale teoria sui buchi neri manca una spiegazione completa di come interpretare quello che avviene all'interno dell'orizzonte degli eventi. Questo in parte anche perché ci manca una teoria quantistica della gravità. Gli autori però propongo che invece di collassare in una singolarità la materia all'interno di un buco nero possa fermarsi prima, alla lunghezza di Planck (un trilionesimo di metro in dimensione), che è il limite più basso al quale si può spingere la materia per rimanere nel campo delle leggi fisiche ordinare secondo le quali ha ancora senso parlare di lunghezza o grandezza. A questo punto dopo la morte del buco nero (cioè la sparizione dell'orizzonte degli eventi), rimarrebbe esposta una "Stella di Planck". Dato che questa stella avrebbe densità altissime rilascerebbe grandi quantità di raggi-gamma in una regione specifica dello spettro elettromagnetico. Questo è il vantaggio della teoria proposta! Sebbene non sia che un'ipotesi fondata su tante premesse teoriche, offre la possibilità di provarla con osservazioni alla nostra portata, dato che un telescopio a raggi-gamma potrebbe rilevarne le tracce. Nel 2014, Carlo Rovelli e Francesca Vidotto hanno ipotizzato che al centro dei buchi neri, invece di una singolarità gravitazionale, possa trovarsi una stella di Planck, un oggetto con una densità energetica prossima al valore planckiano (ca. 4,633 x 10113 J/m3) e una dimensione superiore alla lunghezza di Planck, sostenuta contro il catastrofico collasso gravitazionale dalla pressione quantistico-gravitazionale. Secondo la teoria, un tale oggetto avrebbe un'esistenza brevissima nel suo tempo proprio, poiché alla contrazione progenitrice seguirebbe un immediato effetto di rimbalzo verso l'esterno, ma per il resto dell'universo la stella impiegherebbe un tempo molto lungo a "evaporare" a causa dell'enorme dilatazione temporale gravitazionale; in altri termini, tale "evaporazione" si manifesterebbe come la prevista radiazione di Hawking. È stata predetta peraltro l'emissione di un segnale di raggi gamma rilevabile al momento della totale dissoluzione del buco nero, allorché la stella di Planck rimarrebbe esposta. Se l'esistenza delle stelle di Planck venisse confermata verrebbe risolto il paradosso dell'informazione del buco nero e evitate possibili violazioni della causalità.
In base a quanto detto, possiamo dire che le stelle di Planck sono dei sostituiti al concetto di singolarità. I buchi neri , secondo la nostra attuale concezione, hanno al centro un punto di volume 0 e densità ♾ infinita. Ma, se al centro dei buchi neri ci fosse una stella di Plank? E` possibile dal punto di vista matematico.
Altre stelle esotiche
Una stella esotica è un particolare tipo di stella degenere costituito da particelle diverse dagli elettroni, dai protoni e dai neutroni, che si mantiene in equilibrio contro il collasso gravitazionale grazie alla pressione degenerativa o ad altri effetti quantistici. Di questa classe fanno parte le stelle di quark (costituite da materia strana) e le stelle di preoni (composte da preoni). Oltre alla stella di Planck esistono altre stelle esotiche:
Una stella di quark (o stella strana) è un ipotetico stadio intermedio tra una stella di neutroni ed un buco nero stellare. La teoria suggerisce che quando la compressione all'interno di una stella di neutroni raggiunge (o per l'alta massa del residuo lasciato da una supernova, o per accrescimento della stella di neutroni facente parte di una binaria stretta) valori sufficientemente grandi, i neutroni verrebbero decomposti nei quark costituenti, andando a formare la materia strana. Questo processo produrrebbe, sempre teoricamente, un quantitativo eccezionalmente grande di energia (103 foe o 1047 joule) che causerebbe l'esplosione delle parti più esterne della stella in quella che è stata chiamata una quark-nova, mentre il nucleo della stella di neutroni collasserebbe finché fra i quark non si instaura una pressione degenerativa che ne controbilancia l'attrazione gravitazionale; il risultato sarebbe una stella di quark. Attualmente l'esistenza delle stelle di quark è ipotetica[1] ma osservazioni effettuate dall'osservatorio a raggi X Chandra hanno individuato due poissibili candidate: 3C58, la pulsar resto della supernova del 1181, e RXJ1856.5-3754; la prima appare troppo fredda e la seconda troppo piccola per una stella neutronica, il che suggerisce che la materia di cui sono composte sia più densa del neutronio. È stata avanzata l'ipotesi che la supernova SN 2006gy fosse associata alla formazione di una stella di quark.
Stella di preoni
Ammettendo che i quark e i leptoni siano a loro volta non elementari ma costituiti da preoni, si può speculare sulla possibilità che tra la stella di quark ed il buco nero di massa stellare esista un ulteriore stato intermedio: la stella di preoni. Un oggetto del genere avrebbe una densità dell'ordine di 1023 kg/m3, la stessa che si otterrebbe comprimendo la massa della Terra in una sfera grande come una pallina da tennis. Le stelle preoniche potrebbero essere una componente della materia oscura.
Stella Q o Buco grigio
Una stella Q (o buco grigio) è un'ipotetica stella di neutroni più compatta, con uno stato esotico della materia, che, in teoria, potrebbe presentare un raggio anche solo del 50% maggiore del proprio raggio gravitazionale, il che renderebbe molto difficile distinguerla da un buco nero stellare. L'oggetto compatto nel sistema V404 Cygni potrebbe essere un buco grigio.
Stella elettrodebole
È possibile che quando una stella di neutroni, avendo ecceduto il limite di Tolman-Oppenheimer-Volkoff, si contrae per divenire un buco nero stellare, al suo interno i quark inizino a convertirsi in leptoni (come gli elettroni, ma soprattutto neutrini) mediante l'interazione elettrodebole. L'energia liberata da questo processo, che avrebbe luogo nel nucleo della stella di neutroni in una regione delle dimensioni di una mela ma dotata di una massa doppia di quella terrestre, potrebbe sostenere il totale collasso della stella per circa 10 milioni d'anni. Una eventuale stella di neutroni in questa fase viene chiamata stella elettrodebole.
Stella di Bosoni
Gli oggetti finora descritti sono costituiti da materia fermionica, ma è stata teorizzata l'esistenza di stelle composte da bosoni. Ciò richiederebbe l'esistenza di una particella bosonica dotata di piccola massa e stabilità. Una siffatta stella di bosoni potrebbe essersi originata per collasso gravitazionale nei primi istanti di vita dell'Universo, similmente ai buchi neri primordiali. Potrebbe essere possibile individuare eventuali stelle di bosoni binarie attraverso la rilevazione delle onde gravitazionali da queste emesse. Qualcuno ha avanzato l'ipotesi che al centro della Via Lattea e nel nucleo delle galassie attive possano trovarsi stelle di bosoni supermassicce. Le stelle di bosoni potrebbero infine rappresentare una frazione della materia oscura.
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Stella di Planck e altre teorie riguardanti i buchi neri nel video qui sotto
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