Big bang, big crunch

Sezione dell'Universo

Ho letto che le stelle fredde destinate a diventare buchi neri, rallentano sempre più la propria contrazione, per effetto relativistico sul tempo, dovuto al forte campo gravitazionale. In tal modo, rispetto ad un sistema esterno, non raggiungerebbero mai la densità critica affinché si formi l'orizzonte degli eventi, pur avvicinandosene sempre di più. Ne deduco che a maggior ragione non esisterebbero neanche le singolarità, in teoria. Quindi l'unica singolarità esistita dovrebbe essere quella del big bang, e, semmai ne esisterà un'altra, dovrebbe essere quella del big crunch, dato che le stelle fredde si dovranno fondere tra loro insieme al resto dell'universo, nel qual caso il tempo delle stelle fredde coinciderebbe con quello dell'Universo, che andrebbe allora a finire in una singolarità. È corretto?

Roberto Iovene
27 gennaio 2008
A dire il vero la sua deduzione non è corretta. Quando una stella molto massiva collassa si devono distinguere le osservazioni di un osservatore posizionato a una certa grande distanza fissata dalla stella da quelle di un osservatore che cada liberamente nel suo campo gravitazionale. L'osservatore statico vedrà invero la superficie della stella contrarsi in un tempo infinito fino all'orizzonte del corrispondente buco nero. Inoltre la frequenza della luce che lascia la superficie della stella si trova a dover risalire un potenziale gravitazionale più e più profondo. Lo scotto da pagare è una perdita di energia della radiazione luminosa che si traduce in uno spostamento della sua frequenza verso il rosso (redshift) ovvero verso frequenze sempre più basse. L'osservatore statico (a una grande distanza fissata) vede quindi la luce della stella diventare sempre più fioca fino a essere non rilevabile anche con gli strumenti più accurati. Quindi tale osservatore 1) non vede mai la stella oltrepassare l'orizzonte degli eventi 2) vede la superficie della stella scomparire nel limite in cui essa si contrae fino ad arrivare in prossimità del raggio del corrispondente buco nero. Queste osservazioni giustificano il fatto che i buchi neri fossero stati inizialmente chiamati frozen star ovvero “stelle congelate”.

Ma passiamo ora a considerare cosa vedrà un osservatore che si muova con la superficie della stella. Si può verificare che in questo caso l'osservatore vedrà la superficie della stella entrare nell'orizzonte degli eventi in un tempo finito (e anch'egli cadrà nel buco nero in un tempo finito). Non solo. Dopo aver passato l'orizzonte la materia della stella si concentrerà tutta in una singolarità anch'essa prodotta dopo un tempo finito dall'inizio del collasso. In un certo senso l'osservatore statico è in un sistema di riferimento particolarmente inappropriato per descrivere cosa accada in prossimità della formazione dell'orizzonte e successivamente. Lo stesso non vale per l'osservatore comovente con la superficie della stella collassante. Quindi una singolarità (almeno nell'ambito della teoria della relatività generale) è presente in ogni buco nero.

Mi pare appropriato fare a questo punto una precisazione: una singolarità non è un oggetto fisico che di per sé esiste nello spaziotempo. La singolarità è una regione in cui la nostra teoria della gravitazione (la relatività generale) cessa di essere predittiva, quindi in tali punti non sappiamo se ci siano le nozioni di spazio e tempo. In questo senso i punti singolari non sono parte del nostro Universo, devono essere pensati più come "assenze" che come "presenze", sono punti che dobbiamo rimuovere dallo spaziotempo in quanto non descrivibili in questi termini, almeno con l'attuale teoria della gravitazione.

Consideriamo infine il problema del big bang. Il big bang è uno tra molti punti singolari (secondo la relatività generale) nel nostro Universo. Ha però  la peculiarità di non essere nascosto da un orizzonte degli eventi, è una singolarità nuda (anche se di fatto non è osservabile attraverso la radiazione elettromagnetica perché l'Universo cessa di essere trasparente per quest'ultima quando si guarda a grandi distanze/tempi molto remoti).

Riguardo al big crunch, non sembra al momento plausibile, in base ai dati osservativi in nostro possesso, che la fine dell'Universo avvenga in un collasso cosmico. Infatti l'Universo è attualmente dominato da una componente di energia, detta oscura (di origine sconosciuta), che tende a farlo espandere sempre più rapidamente piuttosto che a rallentare la sua espansione fino a un nuovo collasso. Per questo motivo gli scenari più accreditati per la possibile fine dell'Universo sono o una espansione eterna, nel quale tutte le stelle finiranno per spegnersi, o un'espanzione talmente violenta da "strappare" lo spaziotempo stesso, il cosidetto big rip.

Stefano Liberati Settore di Astrofisica, SISSA, Trieste

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