La matematica profonda della teoria delle stringhe emerge dalla fusione tra buchi neri / Deep Mathematics of String Theory Emerges from Black Hole Merger

 La matematica profonda della teoria delle stringhe emerge dalla fusione tra buchi neri / Deep Mathematics of String Theory Emerges from Black Hole Merger

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un nuovo studio sui buchi neri evidenzia e spiega delle onde gravitazionali: ecco come si applicano teorie matematiche complesse a tutto questo.

Era il 2015 quando i ricercatori del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno rilevato per la prima volta onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri. Delle vere e proprie increspature nello spazio-tempo. Le osservazioni di questi segnali nello spazio sono così divenute sempre più comuni.

Sapevamo dove guardare, per dirla in parole semplicissime. Ciò ci ha permesso di rivelare dettagli cruciali sull’origine di tali fenomeni. Un nuovo studio, però, mostra ora come concetti astratti della teoria delle stringhe possano avere una diretta applicazione nella comprensione di queste onde gravitazionali.

Onde gravitazionali

Il lavoro di ricerca è stato pubblicato sulla celebre rivista Nature. Un testo molto importante, ma prima di poterne parlare è bene partire dalle “basi”. Quando discutiamo di onde gravitazionali, ci riferiamo a delle perturbazioni dello spazio-tempo, come detto. Vengono generate da eventi catastrofici. La fusione di buchi neri è soltanto un esempio. Lo stesso accade infatti con la fusione di stelle di neutroni.

I primi rilevamenti hanno condotto a una rivoluzione nel campo dell’astrofisica. Di fatto è stata aperta una nuova finestra nell’universo. Non tutte le onde gravitazionali, però, derivano da collisioni dirette. Alcune possono emergere da incontri ravvicinati avvenuti tra oggetti cosmici. Pensiamo ad esempio all’immagine, decisamente fantascientifica per la maggior parte di noi, di due buchi neri che si sfiorano, senza per questo raggiungere la fase di fusione.

Un gruppo di ricercatori ha applicato dei concetti matematici complessi, ispirati dalla teoria delle stringhe. L’obiettivo? Riuscire a descrivere al meglio questi eventi. Sfruttando le “strutture Calabi-Yau” (geometriche a sei dimensioni), il gruppo è stato in grado di modellare il comportamento dei buchi neri che si avvicinano senza collidere. In questo caso si parla di “scattering” per descrivere il fenomeno. Questa è la prima volta che tali strutture matematiche trovano una connessione diretta con fenomeni astrofisici reali.

Dai buchi neri alle stringhe

Da tempo ormai si guarda alle “strutture Calabi-Yau” come a dei pilastri della teoria delle stringhe (che tenta di unificare la fisica quantistica con la relatività generale). In tale contesto, possiamo dire che descrivono spazi geometrici complessi, in cui le stringhe, ovvero gli elementi fondamentali della materia, vibrano.

Lo studio di recente pubblicato vede però i ricercatori dimostrare che tali strutture possono anche descrivere il comportamento dei buchi neri che si sfiorano. Sfruttando funzioni matematiche avanzate, il gruppo è stato in grado di calcolare l’energia rilasciata nel corso di tali eventi. Al tempo stesso anche le traiettorie dei buchi neri.

Queste operazioni hanno confermato come le previsioni teoriche corrispondano ai dati osservativi. Un risultato che rafforza la validità della teoria delle stringhe. Al tempo stesso, però, è in grado di aprire nuove strade per lo studio delle onde gravitazionali.

Questa ricerca potrebbe avere delle implicazioni di enorme importanza per le future osservazioni delle onde gravitazionali. I prossimi rilevatori, come il telescopio Einstein in Europa e il Cosmic Explorer negli Stati Uniti, potrebbero riuscire a ottenere segnali da eventi di scattering tra buchi neri e stelle di neutroni. In poche parole, gli scienziati potrebbero testare ulteriormente queste teorie ed esplorare nuove frontiere della fisica. Di fatto, possiamo dire che la matematica delle stringhe ha detto addio al regno dell’astrazione teorica. Trova finalmente applicazione nel mondo reale. Fisica teorica e astrofisica osservativa non sono mai state tanto vicine.

ENGLISH

A new study on black holes highlights and explains gravitational waves: here's how complex mathematical theories apply to all this.

It was 2015 when researchers at the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detected gravitational waves generated by the merger of two black holes for the first time. Real ripples in space-time. Observations of these signals in space have thus become increasingly common.

We knew where to look, to put it in very simple terms. This allowed us to reveal crucial details about the origin of these phenomena. A new study, however, now shows how abstract concepts from string theory can have a direct application in understanding these gravitational waves.

Gravitational waves

The research work was published in the famous journal Nature. A very important text, but before we can talk about it, it is good to start with the "basics". When we discuss gravitational waves, we are referring to perturbations of space-time, as mentioned. They are generated by catastrophic events. The merging of black holes is just one example. The same thing happens with the merging of neutron stars.

The first detections led to a revolution in the field of astrophysics. In fact, a new window into the universe has been opened. However, not all gravitational waves derive from direct collisions. Some can emerge from close encounters between cosmic objects. Let's think for example of the image, decidedly science fiction for most of us, of two black holes touching each other, without reaching the merging stage.

A group of researchers has applied complex mathematical concepts, inspired by string theory. The goal? To be able to better describe these events. By exploiting "Calabi-Yau structures" (six-dimensional geometric structures), the group was able to model the behavior of black holes that approach each other without colliding. In this case, the phenomenon is called "scattering" to describe it. This is the first time that these mathematical structures have found a direct connection with real astrophysical phenomena.

From black holes to strings

For some time now, “Calabi-Yau structures” have been considered as pillars of string theory (which attempts to unify quantum physics with general relativity). In this context, we can say that they describe complex geometric spaces, in which strings, or the fundamental elements of matter, vibrate.

However, the recently published study sees researchers demonstrate that these structures can also describe the behavior of black holes that graze each other. Using advanced mathematical functions, the group was able to calculate the energy released during these events. At the same time, also the trajectories of the black holes.

These operations have confirmed that theoretical predictions correspond to observational data. A result that strengthens the validity of string theory. At the same time, however, it is able to open new avenues for the study of gravitational waves.

This research could have huge implications for future gravitational wave observations. Upcoming detectors, such as the Einstein Telescope in Europe and the Cosmic Explorer in the United States, may be able to detect signals from scattering events between black holes and neutron stars. In short, scientists could test these theories further and explore new frontiers of physics. In effect, we can say that string mathematics has said goodbye to the realm of theoretical abstraction. It finally finds application in the real world. Theoretical physics and observational astrophysics have never been so close.

Da:

https://tecnologia.libero.it/fusione-buchi-neri-onde-gravitazionali-101639