I buchi neri sono oggetti massicci con un’attrazione gravitazionale così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Generalmente, si formano dal collasso di stelle massicce alla fine del loro ciclo vitale, quando la pressione delle reazioni termonucleari nei loro nuclei non è più in grado di contrastare la forza di gravità.
Esistono tuttavia ipotesi più esotiche riguardo alla formazione dei buchi neri. Una di queste teorie riguarda la creazione di un “kugelblitz”, termine tedesco per “fulmine sferico”. Un kugelblitz è un buco nero ipotetico che, anziché formarsi dal collasso della materia ordinaria (costituita principalmente da protoni, neutroni ed elettroni), si forma dalla concentrazione di enormi quantità di radiazione elettromagnetica, come la luce.
Nonostante la luce non abbia massa, essa trasporta energia e, secondo la teoria della relatività generale di Einstein, l’energia è responsabile della creazione di curvature nello spazio-tempo che risultano in attrazioni gravitazionali. È teoricamente possibile, quindi, che la luce possa formare buchi neri se concentrata sufficientemente in un volume ridotto.
Questi principi sono validi sotto la relatività generale classica, che non tiene conto dei fenomeni quantistici. Per esplorare l’impatto potenziale degli effetti quantistici sulla formazione dei kugelblitze, i ricercatori hanno esaminato l’influenza dell’effetto Schwinger.
Quando c’è un’energia elettromagnetica incredibilmente intensa, come quella dovuta a grandi concentrazioni di luce, parte di questa energia si trasforma in materia sotto forma di coppie elettrone-positrone. Questo è un effetto quantistico noto come effetto Schwinger o polarizzazione del vuoto.
Nel loro studio, accettato per la pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters ma non ancora pubblicato, il team ha calcolato il tasso al quale le coppie elettrone-positrone prodotte in un campo elettromagnetico esaurirebbero l’energia. Se questo tasso supera il tasso di reintegro dell’energia del campo elettromagnetico in una determinata regione, un kugelblitz non può formarsi.
Il team ha scoperto che, anche nelle circostanze più estreme, la luce pura non potrebbe mai raggiungere la soglia energetica necessaria per formare un buco nero. Questo risultato ha profonde implicazioni teoriche, limitando significativamente i modelli astrofisici e cosmologici precedentemente considerati che presuppongono l’esistenza dei kugelblitze. Inoltre, elimina qualsiasi speranza di studiare sperimentalmente i buchi neri in ambienti di laboratorio creandoli attraverso radiazioni elettromagnetiche.
Tuttavia, l’esito positivo dello studio dimostra che gli effetti quantistici possono essere integrati efficacemente nei problemi che coinvolgono la gravità, fornendo risposte chiare a questioni scientifiche reali.
“Da un punto di vista teorico, questo lavoro dimostra come gli effetti quantistici possano svolgere un ruolo importante nella comprensione dei meccanismi di formazione e dell’aspetto degli oggetti astrofisici”, ha affermato Polo-Gómez.
Ispirati dai loro risultati, i ricercatori prevedono di continuare a esplorare l’influenza degli effetti quantistici su vari fenomeni gravitazionali, che hanno sia significato pratico che fondamentale.