Black Hole Universe

Il Black Hole Universe è un’ipotesi cosmologica secondo cui il nostro universo potrebbe trovarsi all’interno di un buco nero nato in un universo più grande.

Secondo questa visione, ciò che chiamiamo Big Bang non sarebbe l’inizio assoluto di tutto, ma un “rimbalzo” della materia compressa dentro un buco nero. Quindi, non sarebbe nato da una singolarità.

Ovviamente si tratta di un'ipotesi ancora da dimostrare, del resto come altrettante ipotesi cosmologiche, ma con diversi aspetti interessanti dal punto di vista della fisica.

Ad esempio, questo modello spiega l’espansione accelerata dell’universo senza bisogno di nuove particelle o energie esotiche come l'energia oscura.

Il Big Bang e i suoi limiti

Il Modello Standard

Oggi il modello più accettato dell’universo è il modello del Big Bang, secondo cui tutto (spazio, tempo, materia ed energia) ha avuto origine circa 13,8 miliardi di anni fa.

Nota. È importante chiarire una cosa: il Big Bang non è un’esplosione nello spazio, ma un’espansione dello spazio stesso. Spesso il termine "Bang" è fuorviante.

Secondo questo modello l'Universo in espansione è come un palloncino che si gonfia: i puntini disegnati sulla sua superficie si allontanano gli uni dagli altri man mano che il palloncino cresce.

Quindi, non c’è un “centro” da cui tutto è esploso: è lo spazio stesso che si espande ovunque.

Ad esempio, se due galassie oggi sono a 1 metro di distanza sul palloncino, domani potrebbero essere a 2 metri. Ma non c’è un punto fisso da cui “scappano via”.

La singolarità

Se ripercorriamo l’espansione dell’universo all’indietro, troviamo uno stato sempre più caldo e denso.

Arrivati all’estremo, il modello prevede una singolarità iniziale, cioè un punto in cui:

• la densità diventa infinita,
• la temperatura diventa infinita,
• lo spazio e il tempo perdono significato fisico.

In una singolarità, le leggi della fisica smettono di funzionare. È come se la matematica ci dicesse: “Oltre questo punto, non posso più descrivere nulla”.

Teorema di Penrose-Hawking

Secondo il teorema sviluppato da Roger Penrose e Stephen Hawking, se ci basiamo soltanto sulla relatività generale, la singolarità iniziale sarebbe inevitabile.

Tuttavia, questo teorema non tiene conto della meccanica quantistica, la teoria che governa il mondo delle particelle minuscole.

Il ruolo della Meccanica Quantistica

La Relatività Generale spiega la gravità e lo spazio-tempo su larga scala, mentre la Meccanica Quantistica descrive il comportamento della materia e dell’energia a livello microscopico.

Quando vogliamo parlare dei primi istanti dell’universo, dobbiamo combinare queste due teorie, perché la gravità è fortissima (relatività generale) ma la scala è piccolissima (meccanica quantistica).

Quindi, la singolarità è veramente inevitabile?

Secondo la meccanica quantistica, è possibile che la singolarità non sia inevitabile.

In altre parole, potrebbe essere esistito uno stato precedente al Big Bang, da cui l’universo è “emerso”.

In particolare nel principio di esclusione di Pauli afferma che alcune particelle, chiamate fermioni (come elettroni, protoni, neutroni), non possono occupare lo stesso stato quantico.

Quando la materia si comprime troppo, la pressione quantistica diventa talmente elevata da opporsi al collasso gravitazionale e impedire che la materia raggiunga densità infinite.

In pratica, la meccanica quantistica funziona come un “cuscinetto” che respinge la materia quando tenta di schiacciarsi all’infinito, provocando un rimbalzo anziché una singolarità.

Nota. Per lo stesso motivo le stelle di neutroni non collassano ulteriormente in buchi neri fino a una certa massa. I neutroni, infatti, non possono stare tutti nello stesso spazio e si oppongono alla compressione.

Da queste premesse nasce il modello del Black Hole Universe.

L’Ipotesi dell’Universo dentro un buco nero

Un’ipotesi recente propone che l’universo in cui viviamo si trovi dentro un buco nero. Questa idea prende il nome di Black Hole Universe.

Secondo questo modello esisterebbe un universo più grande del nostro, l’universo genitore.

Al suo interno, una grande quantità di materia subisce un collasso gravitazionale formando un buco nero e, secondo la relatività generale, questo collasso dovrebbe portare a una singolarità.

Ma nel modello Black Hole Universe, accade qualcosa di diverso: la materia non arriva a densità infinita e il collasso si arresta prima di diventare una singolarità.

La materia, invece di collassare all’infinito, rimbalza per effetto del principio di esclusione di Pauli.

Dal punto di vista di un osservatore interno al buco nero, questo rimbalzo appare come un universo in espansione.

Dall’esterno, invece, un ipotetico osservatore vedrebbe soltanto un enorme buco nero.

Nota. E un po' come guardare il palloncino che si gonfia stando dentro il palloncino. I punti ci sembrerebbero allontanarsi sempre di più tra loro, ignorando del tutto cosa ci sia "oltre" i confini del palloncino.

Cosa spiega il Modello Black Hole Universe?

L’universo ha attraversato (e sta attraversando) due fasi di espansione accelerata:

1. Inflazione Cosmologica
   Nei primissimi istanti dopo il Big Bang, l’universo si è espanso a velocità vertiginosa. Nel modello standard, questa inflazione richiede un ipotetico campo sconosciuto chiamato "inflatone".
2. Espansione accelerata attuale
   Oggi osserviamo che l’universo si espande sempre più rapidamente. Questa accelerazione è attribuita a una misteriosa energia, chiamata "energia oscura".

Il Black Hole Universe offre una spiegazione più semplice

Nel modello Black Hole Universe entrambe le fasi di espansione accelerata derivano dal rimbalzo quantistico interno al buco nero.

Questo fornisce una spiegazione al fenomeno inflattivo senza dover introdurre nuove particelle o energie esotiche come l'energia oscura.

Inoltre, la quantità di energia oscura osservata sarebbe collegata alla massa del buco nero in cui si trova il nostro universo.

Come verificare questa ipotesi?

Il modello del Black Hole Universe prevede che il nostro universo abbia una curvatura spaziale leggermente positiva.

Questo significa che, su scale enormi, lo spazio del nostro Universo potrebbe essere simile alla superficie di una sfera tridimensionale.

Oggi le osservazioni ci dicono che l’universo è quasi piatto, ma ci sono piccoli indizi di una lieve curvatura positiva.

Nota. Anche la Terra ha una forma sferica, ma a chi guarda un prato intorno a sé sembra piatta. Analogamente, l’universo potrebbe apparire piatto perché ne osserviamo solo una piccolissima porzione.

In conclusione, l’ipotesi del Black Hole Universe è estremamente affascinante perché evita la singolarità iniziale e spiega l’inflazione cosmologica senza introdurre nuove forze (energia oscura) o particelle ancora sconosciute.,

Tuttavia, resta un’ipotesi da confermare. Saranno necessarie osservazioni più precise, ad esempio misurazioni accurate della curvatura spaziale dell’universo.

Pertanto, potremmo vivere dentro un buco nero nato in un universo più grande, e ciò che chiamiamo Big Bang potrebbe essere stato solo un rimbalzo cosmico… o forse no, per ora è solo una tra le tante ipotesi da esplorare.

E così via.