Le collisioni tra due wormhole di Ellis-Bronnikov potrebbero generare brevi e intensi impulsi di onde gravitazionali, diversi dal «chirp» tipico di due buchi neri che spiraleggiano l’uno verso l’altro. In alcune simulazioni, inoltre, le gole dei wormhole finivano racchiuse in un buco nero in formazione, mentre l’area del suo orizzonte apparente diminuiva di circa il 28 per cento. Sono i risultati di uno studio teorico di Nikita M. Shirokov, fisico dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, e Ilya Nachevsky, ingegnere specializzato in apprendimento automatico della Scuola superiore di economia in Russia. La ricerca è disponibile su arXiv come preprint e non è stata ancora sottoposta a revisione paritaria.
Le onde gravitazionali sono increspature dello spaziotempo prodotte dal movimento di oggetti massicci. Finora ne sono state rilevate centinaia, perlopiù associate a collisioni tra buchi neri. Ma non tutti i segnali osservati devono necessariamente avere la stessa origine, e gli scienziati si chiedono quali tracce potrebbero lasciare altri oggetti ipotetici, come i wormhole.
I wormhole sono soluzioni matematiche che emergono dalla relatività generale di Einstein, secondo cui la gravità è legata alla curvatura dello spaziotempo. In teoria, una curvatura particolare potrebbe creare un tunnel, o gola, che collega due regioni distanti. Non sappiamo, però, se strutture simili esistano davvero nell’Universo. Il ponte di Einstein-Rosen, spesso citato come esempio, non sarebbe attraversabile. Il modello di Ellis-Bronnikov, invece, descrive un wormhole attraversabile, mantenuto aperto da un campo scalare fantasma: un campo ipotetico con proprietà di energia negativa. «Attraversabile» significa che qualcosa potrebbe passare attraverso la gola, non che il wormhole sia stabile o sicuro.
Anzi, secondo il modello, anche una piccola perturbazione potrebbe alterare l’equilibrio del wormhole di Ellis-Bronnikov. La gola potrebbe collassare e formare un buco nero, oppure espandersi senza controllo, in un processo chiamato inflazione. Per esplorare che cosa potrebbe accadere quando due di queste strutture si incontrano, Shirokov e Nachevsky hanno realizzato simulazioni tridimensionali, variando la distanza iniziale, le traiettorie e le proprietà dei campi scalari fantasma.
Gli esiti dipendevano dalla configurazione. In alcuni casi i wormhole si attiravano, in altri si respingevano. Alcune coppie passavano abbastanza vicine da interagire, poi si allontanavano mentre le gole si espandevano notevolmente. In altri scenari i due oggetti si precipitavano l’uno verso l’altro, ma non si fondevano in un wormhole più grande: attorno a entrambe le gole compariva un orizzonte apparente comune, una superficie che racchiudeva la regione in collasso, simile per alcuni aspetti all’orizzonte degli eventi di un buco nero.
Nelle simulazioni, l’area di questo orizzonte apparente diminuiva di circa il 28 per cento quando il campo scalare fantasma precipitava nella regione in collasso. Il risultato è insolito perché il teorema dell’area dei buchi neri, formulato da Stephen Hawking nel 1971, prevede che la superficie dell’orizzonte degli eventi di un buco nero possa soltanto aumentare o restare invariata. Ma il teorema si basa su ipotesi sul comportamento dell’energia che il campo scalare fantasma non rispetta: le sue proprietà di energia negativa permettono all’orizzonte simulato di restringersi. Inoltre, il risultato riguarda un orizzonte apparente, non un orizzonte degli eventi, e quindi non contraddice il teorema.
Anche il segnale gravitazionale previsto dalle simulazioni differiva da quello di una coppia di buchi neri in avvicinamento. In quel caso, il segnale tipico, detto «chirp», diventa più intenso e aumenta di frequenza man mano che i due oggetti spiraleggiano verso la collisione. Gli incontri tra wormhole producevano invece impulsi brevi e intensi. La forma e l’intensità variavano a seconda che i wormhole si scontrassero o si sfiorassero; alcuni passaggi ravvicinati generavano impulsi particolarmente forti anche senza la formazione di un orizzonte apparente comune.
Un impulso senza chirp, tuttavia, non dimostrerebbe la presenza di wormhole: anche i buchi neri possono produrre segnali simili in determinate circostanze. L’evento GW190521, rilevato nel 2019, è stato studiato come possibile indizio di una fisica esotica dello spaziotempo, ma non è stato attribuito a un wormhole. Le nuove simulazioni non stabiliscono alcun legame con quell’evento; mostrano piuttosto perché sia utile prevedere i segnali che potrebbero generare oggetti ancora ipotetici.
Resta anche un ostacolo alla loro eventuale osservazione. Secondo i ricercatori, i wormhole formatisi nell’Universo primordiale produrrebbero segnali a frequenze molto più basse di quelle rilevabili da osservatori come LIGO e dalla missione LISA, attualmente in programma. Perché questi particolari segnali fossero osservabili, i wormhole dovrebbero essersi formati molto più tardi nella storia cosmica. Al momento, però, gli scienziati non sanno come potrebbe avvenire una formazione così tardiva.
