Se qualcuno là fuori utilizza un motore a curvatura in stile Star Trek, potrebbe esserci un modo per rilevarlo da qui sulla Terra.

Katy Clough, Sebastian Khan e Tim Dietrich: Quanto sappiamo realmente di cos'altro c'è là fuori nell'universo?

Prendiamo un esempio stravagante. Se ci fossero alieni che volavano intorno alla nostra galassia con il tipo di tecnologia di curvatura che vediamo spesso nei programmi di fantascienza, come sarebbe il segnale dalle loro navi? Forse, sorprendentemente, la nostra ricerca dimostra che abbiamo gli strumenti per rispondere a questa domanda, indipendentemente dal fatto che tali cose esistano davvero.

I telescopi che usano la luce per sondare lo spazio ora possono vedere quasi fino al limite di ciò che è osservabile. Ogni nuova frequenza che abbiamo esplorato, dai raggi gamma e raggi X, agli infrarossi e alle radio, ci ha insegnato qualcosa di nuovo e inaspettato.

Nel 2015, è stato acceso un nuovo tipo di telescopio, un rilevatore chiamato Ligo, che non cercava onde luminose ma onde gravitazionali, che sono "increspature" invisibili nello spazio e nel tempo. Ancora una volta la natura ci ha sorpreso con un segnale etichettato GW150914 da una coppia di buchi neri. Ognuna aveva una massa di circa trenta volte quella del nostro sole, fondendosi insieme in una violenta collisione a 1,4 miliardi di anni luce di distanza.

Da allora le onde gravitazionali sono diventate un nuovo strumento essenziale per gli studiosi che esplorano l'universo. Ma siamo ancora all'inizio delle nostre esplorazioni. Quali segnali potremmo vedere nei dati e cambieranno il modo in cui vediamo la fisica del cosmo?

C'è, tuttavia, una domanda più pratica che spesso viene trascurata: se qualcosa è là fuori, come potremmo riconoscerlo?

Dalla fantascienza alla scienza seria

Potresti aver visto i motori a curvatura in serie come Star Trek. Un motore a curvatura è una forma ipotetica di tecnologia che comprime lo spazio davanti a un'astronave e lo espande dietro. Mentre nulla può viaggiare più velocemente della velocità della luce, in un motore a curvatura possiamo barare accorciando la nostra distanza. Quindi, il tempo impiegato per andare da A a B è inferiore al tempo impiegato dalla luce su un altro percorso non compresso.

Il salto dalla fantascienza alla vera scienza è stato fatto dal fisico teorico Miguel Alcubierre nel 1994, quando è stato ispirato a modellare un motore a curvatura usando le equazioni della relatività generale di Einstein.

La relatività generale è una relazione tra la curvatura dello spaziotempo (gravità) e una distribuzione di materia o energia (roba). In genere, iniziamo conoscendo la "roba". Ad esempio, sappiamo di avere una massa di materia che rappresenta un pianeta o una stella. Quindi inseriamo quella roba nelle equazioni per determinare come si curva lo spaziotempo. E come si curva ci dice la gravità che misureremmo attorno all'oggetto.

Si potrebbe dire che questo è esattamente ciò che fa la visione della gravità di Isaac Newton: fornisce una relazione tra la massa di un oggetto e la forza gravitazionale che esercita. E avresti ragione. Ma il concetto di curvatura dello spaziotempo dà origine a una gamma di fenomeni molto più ricca di una semplice forza. Permette una specie di gravità repulsiva che spinge il nostro universo ad espandersi, crea dilatazione del tempo attorno a oggetti massicci e onde gravitazionali nello spaziotempo e, almeno in teoria, rende possibili i motori a curvatura.

Alcubierre affrontò il suo problema dalla direzione opposta a quella consueta. Sapeva che tipo di curvatura dello spaziotempo voleva. Era una in cui un oggetto poteva navigare su una regione di spaziotempo curvato. Quindi, lavorò a ritroso per determinare il tipo di configurazione della materia di cui avresti bisogno per crearla. Non era una soluzione naturale delle equazioni, ma piuttosto qualcosa "fatto su ordinazione". Non era esattamente ciò che avrebbe ordinato. Scoprì di aver bisogno di materia esotica, qualcosa con una densità di energia negativa, per curvare lo spazio nel modo giusto.

Le soluzioni di materia esotica sono generalmente viste con scetticismo dai fisici, e giustamente. Mentre matematicamente si può descrivere la materia con energie negative, quasi tutto ciò che conosciamo sembra avere un'energia positiva. Ma nella fisica quantistica, abbiamo osservato che possono verificarsi piccole violazioni temporanee della positività energetica, e quindi, "nessuna energia negativa" non può essere una legge assoluta e fondamentale.

Dai motori a curvatura alle onde

Dato il modello di Alcubierre dello spaziotempo del motore a curvatura, possiamo iniziare a rispondere alla nostra domanda iniziale: che aspetto avrebbe un segnale da esso?

Uno dei capisaldi delle moderne osservazioni delle onde gravitazionali, e uno dei suoi più grandi successi, è la capacità di prevedere con precisione le forme d'onda da scenari fisici utilizzando uno strumento chiamato "relatività numerica".

Questo strumento è importante per due motivi. Primo, perché i dati che otteniamo dai rilevatori sono ancora molto rumorosi, il che significa che spesso dobbiamo sapere approssimativamente che aspetto ha un segnale per poterlo estrarre dal flusso di dati. E secondo, anche se un segnale è così forte da risaltare sopra il rumore, abbiamo bisogno di un modello per interpretarlo. Cioè, dobbiamo aver modellato molti tipi diversi di evento, così da poter abbinare il segnale al suo tipo; altrimenti potremmo essere tentati di liquidarlo come rumore o etichettarlo erroneamente come fusione di buchi neri.

Un problema con lo spaziotempo del motore a curvatura è che non fornisce naturalmente onde gravitazionali a meno che non inizi o si fermi. La nostra idea era di studiare cosa sarebbe successo quando un motore a curvatura si fosse fermato, in particolare nel caso in cui qualcosa fosse andato storto. Supponiamo che il campo di contenimento del motore a curvatura collassasse (una trama fondamentale nella fantascienza); presumibilmente ci sarebbe un rilascio esplosivo sia di materia esotica che di onde gravitazionali. Questo è qualcosa che possiamo simulare, e lo abbiamo fatto, usando la relatività numerica.

Ciò che abbiamo scoperto è che il collasso della bolla del motore a curvatura è in effetti un evento estremamente violento. L'enorme quantità di energia necessaria per deformare lo spaziotempo viene rilasciata sia come onde gravitazionali che come onde di energia della materia positiva e negativa. Sfortunatamente, è molto probabile che sia la fine della linea per l'equipaggio della nave che verrebbe fatto a pezzi dalle forze di marea.

Sapevamo che sarebbe stato emesso un segnale di onda gravitazionale; qualsiasi movimento di materia in modo disordinato crea un'onda del genere. Ma non potevamo prevedere l'ampiezza e la frequenza, e come queste dipenderebbero dalle dimensioni della regione deformata.

Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che per una nave di 1 km di dimensioni, l'ampiezza del segnale sarebbe significativa per qualsiasi evento del genere all'interno della nostra galassia e persino oltre. A una distanza di 1 megaparsec (leggermente più lontano della galassia di Andromeda), il segnale è simile alla sensibilità del nostro attuale rilevatore. Tuttavia, la frequenza delle onde è circa mille volte superiore alla gamma che stanno osservando.

Dovremmo essere onesti e dire che non possiamo affermare che il nostro segnale sia il segnale definitivo del motore a curvatura. Abbiamo dovuto fare parecchie scelte specifiche nel nostro modello. E i nostri ipotetici alieni potrebbero averne fatte di diverse. Ma come prova di principio, dimostra che i casi oltre gli eventi astrofisici standard possono essere modellati e possono avere forme e figure distintive che possiamo ricercare nei futuri rilevatori.

Il nostro lavoro ci ricorda anche che, rispetto allo studio delle onde luminose, siamo ancora allo stadio di Galileo, che scatta foto dell'universo nella stretta banda di frequenza della luce visibile. Abbiamo ancora un intero spettro di frequenze di onde gravitazionali da esplorare, che saranno sensibili a una serie di fenomeni che si verificano nello spazio e nel tempo.

Katy Clough , Ernest Rutherford Fellow e Senior Lecturer in Mathematics, Queen Mary University of London ; Sebastian Khan , Associate research fellow presso il Gravity Exploration Institute, Cardiff University , e Tim Dietrich , Professor of Theoretical Astrophysics, University of Potsdam

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons.