Svelate nuove intuizioni sui buchi neri e sulle onde gravitazionali

Uno studio pubblicato su Nature ha stabilito un nuovo punto di riferimento nella modellazione degli eventi più estremi dell’universo: le collisioni di buchi neri e stelle di neutroni.

Uno studio pubblicato su Nature ha stabilito un nuovo punto di riferimento nella modellazione degli eventi più estremi dell’universo: le collisioni di buchi neri e stelle di neutroni.

Questa ricerca, condotta dal professor Jan Plefka dell’Università Humboldt di Berlino e dal dottor Gustav Mogull della Queen Mary University di Londra, precedentemente presso la Humboldt Universität e il Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute), e condotta in collaborazione con un team internazionale di fisici, fornisce una precisione senza precedenti nei calcoli cruciali per la comprensione delle onde gravitazionali.

Utilizzando tecniche all’avanguardia ispirate alla teoria quantistica dei campi, il team ha calcolato il quinto ordine post-Minkowskiano (5PM) per osservabili come angoli di diffusione, energia irradiata e rinculo.

Un aspetto innovativo del lavoro è l’apparizione dei triplici periodi di Calabi-Yau – strutture geometriche radicate nella teoria delle stringhe e nella geometria algebrica – all’interno dell’energia radiativa e del rinculo.

Queste strutture, un tempo considerate puramente matematiche, ora trovano rilevanza nella descrizione dei fenomeni astrofisici del mondo reale.

Con gli osservatori di onde gravitazionali come LIGO che entrano in una nuova fase di sensibilità e i rivelatori di nuova generazione come LISA all’orizzonte, questa ricerca soddisfa la crescente domanda di modelli teorici di straordinaria accuratezza.

Il dottor Mogull ha spiegato il significato: “Mentre il processo fisico di due buchi neri che interagiscono e si diffondono attraverso la gravità è concettualmente semplice, il livello di precisione matematica e computazionale richiesto è immenso”.

Benjamin Sauer, dottorando presso l’Università Humboldt di Berlino, aggiunge: “L’aspetto delle geometrie di Calabi-Yau approfondisce la nostra comprensione dell’interazione tra matematica e fisica. Queste intuizioni daranno forma al futuro dell’astronomia delle onde gravitazionali migliorando i modelli che utilizziamo per interpretare i dati osservativi”.

Questa precisione è particolarmente importante per catturare segnali da sistemi legati ellittici, dove le orbite assomigliano più da vicino a eventi di scattering ad alta velocità, un dominio in cui le ipotesi tradizionali sui buchi neri a movimento lento non si applicano più.

Le onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo causate dall’accelerazione di oggetti massicci, hanno rivoluzionato l’astrofisica sin dalla loro prima rilevazione nel 2015.

La capacità di modellare queste onde con precisione migliora la nostra comprensione dei fenomeni cosmici, tra cui il “calcio” o il rinculo dei buchi neri dopo la dispersione, un processo con implicazioni di vasta portata per la formazione e l’evoluzione delle galassie.

Forse la cosa più allettante è che la scoperta delle strutture di Calabi-Yau in questo contesto collega il regno macroscopico dell’astrofisica con l’intricata matematica della meccanica quantistica.

“Questo potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui i fisici si avvicinano a queste funzioni”, ha detto il membro del team, il dottor Uhre Jakobsen del Max Planck Institute for Gravitational Physics e dell’Università Humboldt di Berlino.

“Dimostrando la loro rilevanza fisica, possiamo concentrarci su esempi specifici che illuminano i processi autentici in natura”.

Il progetto ha utilizzato oltre 300.000 ore di calcolo ad alte prestazioni presso lo Zuse Institute di Berlino per risolvere le equazioni che regolano le interazioni dei buchi neri, dimostrando il ruolo indispensabile della fisica computazionale nella scienza moderna.

«La rapida disponibilità di queste risorse di calcolo è stata fondamentale per il successo del progetto», aggiunge il dottorando Mathias Driesse, che ha guidato gli sforzi di calcolo.

Il professor Plefka ha sottolineato la natura collaborativa del lavoro: “Questa svolta evidenzia come gli sforzi interdisciplinari possano superare sfide un tempo ritenute insormontabili. Dalla teoria matematica al calcolo pratico, questa ricerca esemplifica la sinergia necessaria per spingere i confini della conoscenza umana”.

Questa scoperta non solo fa avanzare il campo della fisica delle onde gravitazionali, ma colma anche il divario tra la matematica astratta e l’universo osservabile, aprendo la strada a scoperte ancora a venire.

La collaborazione è destinata ad espandere ulteriormente i suoi sforzi, esplorando calcoli di ordine superiore e utilizzando i nuovi risultati nei futuri modelli di forme d’onda gravitazionali.

Oltre alla fisica teorica, gli strumenti computazionali utilizzati in questo studio, come KIRA, hanno applicazioni anche in campi come la fisica dei collisori.

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