Immaginate di concentrare una quantità immensa di energia in un singolo punto. I destini possibili sembrano essere solo due: o l’energia si disperde nuovamente nello spazio vuoto, oppure la gravità ha la meglio, facendola collassare in un buco nero. Ma cosa succede esattamente sulla linea di confine tra questi due scenari? A dare una risposta matematica a questo interrogativo è ora uno studio puramente teorico, condotto da ricercatori delle università di Vienna e Francoforte, pubblicato su Physical Review Letters il mese scorso.

A sinistra: rappresentazione di un “cristallo spazio-temporale”. A destra: struttura cristallina cubica. Crediti: TU Wien

Fino a oggi, il comportamento della materia su questo confine precario era un mistero quasi impenetrabile. Negli anni ’90, il fisico Matthew Choptuik scoprì che su questa soglia critica è come se lo spaziotempo impazzisse, creando uno stato intermedio altamente instabile. «A volte basta una causa minuscola, apparentemente insignificante, per innescare un cambiamento enorme e drammatico. Prendiamo ad esempio l’acqua liquida a zero gradi Celsius», dice Daniel Grumiller, tra gli autori del nuovo studio. «È sufficiente un cambiamento minimo perché l’acqua si congeli. A quel punto, le molecole d’acqua si dispongono spontaneamente in una struttura regolare e formano un cristallo di ghiaccio».

Il problema è che le equazioni di Einstein in quattro dimensioni sono così complesse che questo “collasso critico” poteva essere studiato solo tramite pesanti simulazioni al computer. Per aggirare l’ostacolo e trovare finalmente una soluzione analitica esatta, con carta e penna, gli autori della nuova ricerca hanno utilizzato una scorciatoia matematica tanto elegante quanto insolita: hanno imposto la condizione di energia alla soglia critica utilizzando un campo scalare privo di massa, calato in uno spaziotempo a infinite dimensioni. La necessità di usare un campo non massivo deriva dal fatto che solo così si evita di introdurre una lunghezza fissa (lunghezza d’onda Compton), preservando l’esattezza matematica della soluzione. Ma perché aggiungere dimensioni?

«Il nostro universo ha quattro dimensioni: tre spaziali e una temporale», spiega Christian Ecker, primo autore dello studio. «Ma in linea di principio, nulla ci impedisce di scrivere equazioni fisiche per un numero maggiore di dimensioni: cinque, quarantadue o persino un numero infinito». L’aver portato le dimensioni a infinito è servito per “arginare” matematicamente le onde gravitazionali. In uno spaziotempo a quattro dimensioni, infatti, le continue oscillazioni del campo tra implosione ed esplosione genererebbero turbolenze che modificherebbero il campo stesso, rendendo il calcolo impossibile.

Il risultato di questo stato critico isolato è una soluzione analitica chiamata autosimilarità discreta: un frattale concentrico che mantiene lo stesso pattern via via che si fa zoom verso il centro del collasso. Questo schema geometrico che si ripete su scale di grandezza sempre più piccole è il motivo per cui ci si riferisce a esso come a un cristallo spaziotemporale.

Illustrazione di una porzione passata dello spaziotempo di Choptuik con autosimilarità discreta. Man mano che ci si avvicina alla parte superiore, lo scalare di Ricci (R) oscilla sempre più rapidamente fino al raggiungimento della singolarità. Si nota come il pattern si ripeta fino alla singolarità. Fonte: Christian Ecker et al., Prl, 2026

«Questo cristallo è un oggetto davvero singolare e affascinante», riprende Grumiller. «Si tratta di una sorta di stato intermedio, un punto instabile che può evolversi in due direzioni diverse. Potrebbe dissolversi di nuovo, lasciando uno spaziotempo ordinario. Ma se viene aggiunta una minuscola quantità di energia, l’evoluzione prende una piega completamente diversa: l’insignificante cristallo spaziotemporale si trasforma in un buco nero».

Siccome il pattern si ripete a scale via via più microscopiche prima che l’equilibrio si rompa, queste soluzioni dimostrano la possibilità teorica di generare buchi neri di dimensioni infinitesime.

Ovviamente le ipotesi di partenza sono delle astrazioni matematiche, ma il risultato fornisce uno strumento formidabile per sondare i limiti della relatività generale e capire come la gravità si comporti in condizioni estreme. Inoltre, questa dinamica teorica potrebbe offrire nuovi indizi sulla formazione dei buchi neri primordiali, nati dal caos dell’universo neonato.

«La nostra tecnica si è rivelata straordinariamente stabile. A seconda della precisione desiderata, possiamo migliorare sistematicamente le nostre formule ricorrendo a ulteriori metodi di approssimazione», conclude Florian Ecker. «Questo ci offre un nuovo metodo per studiare fenomeni legati ai buchi neri che in precedenza non potevano essere analizzati analiticamente».

Per saperne di più:

• Leggi su Physical Review Letter l’articolo “Analytic Discrete Self-Similar Solutions of Einstein-Klein-Gordon at Large D ” Christian Ecker, Florian Ecker e Daniel Grumiller

L’annuncio è arrivato ieri da Tenerife, dov’erano riuniti i rappresentanti degli Stati membri dell’Agenzia spaziale europea per prendere decisioni di ampia portata sul futuro del programma scientifico dell’agenzia stessa: la scelta del Comitato consultivo per le scienze spaziali (Ssac, Space Science Advisory Committee) per la prossima missione di classe media – la cosiddetta M7 – è andata a Plasma Observatory, una missione la cui lead proposer è l’astrofisica Maria Federica Marcucci, ricercatrice all’Inaf Iaps di Roma.

«La missione nasce da una visione scientifica maturata nel corso degli ultimi anni grazie al contributo di una vasta comunità internazionale e consentirà di studiare per la prima volta in modo sistematico i processi fondamentali che governano il comportamento dei plasmi nello spazio attraverso osservazioni simultanee su diverse scale spaziali realizzate da una costellazione di sette satelliti», spiega Marcucci «Questa capacità osservativa multiscala senza precedenti permetterà di comprendere fenomeni fondamentali che avvengono nei plasmi che permeano l’intero universo e che hanno effetti diretti anche sull’ambiente spaziale che circonda la Terra».

Il team di Plasma Observatory. Crediti: Esa

«Come lead proposer della missione, insieme ad Alessandro Retinò (co-lead proposer) del Laboratoire de Physique des Plasmas di Parigi, e chair dello science study team», continua Marcucci, «sono particolarmente orgogliosa del ruolo svolto dalla comunità italiana e dall’Inaf durante tutte le fasi dello studio. Ricercatrici e ricercatori dell’Istituto hanno partecipato attivamente ai gruppi di lavoro che hanno contribuito a definire gli obiettivi scientifici della missione. In questo contesto, un contributo fondamentale è stato fornito dall’Università della Calabria, attraverso la partecipazione di Francesco Valentini allo science study team, sul solco di una lunga e fruttuosa collaborazione».

«Desidero inoltre sottolineare il ruolo fondamentale svolto dall’Agenzia spaziale italiana, che ha consentito alla comunità scientifica nazionale di contribuire in modo sostanziale alla maturazione scientifica e tecnologica della proposta», ricorda Marcucci. «La raccomandazione di Plasma Observatory rappresenta anche il riconoscimento di questo investimento strategico perseguito con lungimiranza e continuità, nonché della capacità dell’Italia di valorizzare le competenze maturate ed essere protagonista nei grandi programmi scientifici europei, dalla definizione delle domande scientifiche fino alla realizzazione delle tecnologie necessarie per affrontarle.

Schema del processo di selezione di una missione di classe media dell’Esa. Crediti: Esa/Atg

La proposta del Comitato consultivo dell’Esa – che si avvale di gruppi di lavoro composti da scienziati esterni specializzati in diversi ambiti  – arriva al termine di una durissima selezione: il numero delle missioni in gara, inizialmente 27, si è infatti ristretto progressivamente a cinque, poi a tre e infine, appunto, alla sola Plasma Observatory. Ora il Comitato per il programma scientifico (Spc, Science Programme Commitee) ha preso atto di questa raccomandazione e adotterà una decisione formale in merito nella prossima riunione, prevista per novembre 2026, una volta consolidati gli impegni finanziari relativi allo sviluppo della strumentazione.

Da decenni, in fisica si cerca una quinta forza: un’ipotetica nuova interazione fondamentale oltre alle quattro già note – la gravità, l’interazione elettromagnetica e le forze nucleari debole e forte. Una quinta forza potrebbe manifestarsi come una piccola deviazione dalla legge di gravitazione di Newton, per esempio a distanze molto piccole, ed è normalmente descritta attraverso due parametri: la sua intensità e il suo raggio d’azione.

Finora, queste possibili forze sono state trattate soprattutto come possibilità aperte, da verificare sperimentalmente con misure di precisione. Un nuovo studio, guidato dal ricercatore Alfio Bonanno dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) a Catania e associato Infn insieme a Emiliano M. Glaviano, dottorando Inaf presso l’Università di Catania e anch’egli associato Infn, indica però che non tutte queste possibilità sono compatibili con una teoria della gravità quantistica matematicamente coerente.

Illustrazione artistica del collegamento tra gravità quantistica e possibili deviazioni dalla legge di Newton. Crediti: Inaf / realizzata con AI Gemini

Il lavoro si inserisce nel quadro della cosiddetta “sicurezza asintotica”, un nuovo programma teorico iniziato alla fine degli anni ’70 dal premio Nobel Steven Weinberg. Secondo questo concetto, la gravità può rimanere consistente fino a energie arbitrariamente elevate grazie all’esistenza di un particolare regime quantistico nel quale l’attrazione gravitazionale smette di aumentare, raggiungendo un comportamento controllato ad altissime energie. In questo ambito, richiedendo che la teoria resti valida e predittiva fino a quelle scale – una proprietà detta “completezza ultravioletta” – i ricercatori hanno trovato che solo una combinazione limitata dei possibili parametri osservabili delle quinte forze può essere realizzata. Il resto viene escluso su basi teoriche, indipendentemente dagli esperimenti. I risultati sono pubblicati su Physical Review Letters.

«L’aspetto più interessante è che parte della regione esclusa teoricamente non è ancora stata esplorata sperimentalmente», spiega Bonanno. «Questo significa che future misure di alta precisione della gravitazione potrebbero testare direttamente – e potenzialmente falsificare – questa classe di modelli ispirati alla gravità quantistica. La novità del nostro lavoro è mostrare quantitativamente come un requisito di coerenza alle altissime energie possa tradursi in vincoli osservabili a basse energie e a distanze macroscopiche, anche planetarie».

Di solito, in fisica, prima si ipotizzano nuove forze e poi si cerca di capire se gli esperimenti riescono a vederle oppure no. In questo caso, il ragionamento è stato diverso: la teoria stessa “scarta” automaticamente alcune possibilità. Una parte di queste “regioni” escluse non è ancora stata raggiunta dagli esperimenti attuali: si apre quindi la possibilità di futuri test della gravità quantistica attraverso misure di precisione della gravitazione.

«Il nostro studio mostra che la gravità quantistica potrebbe non essere soltanto una teoria valida a energie estreme e irraggiungibili, ma avere conseguenze concrete e testabili anche a scale molto più grandi», aggiunge Glaviano. «La fisica delle distanze infinitamente piccole potrebbe lasciare tracce osservabili nel mondo macroscopico: alcune possibili nuove forze della natura sarebbero escluse non dagli esperimenti, ma direttamente dalle leggi fondamentali della teoria».

Tra i possibili test futuri rientrano principalmente misure di precisione della gravitazione: esperimenti di laboratorio a corta distanza, come bilance di torsione e dispositivi analoghi per cercare deviazioni dalla legge di Newton; tecniche emergenti come l’interferometria atomica o i sensori quantistici; misure su scale astronomiche o del Sistema solare, come il lunar laser ranging e i vincoli dalla dinamica planetaria.

Il nuovo lavoro mette in relazione fenomeni che avvengono su scale estremamente diverse: dalla fisica delle distanze infinitamente piccole, dove dovrebbe emergere la gravità quantistica, fino a effetti potenzialmente osservabili su scale macroscopiche e astronomiche. In prospettiva, risultati di questo tipo potrebbero contribuire a orientare la progettazione di nuovi esperimenti e strategie osservative per la ricerca di possibili quinte forze.

«Una delle difficoltà principali è stata superare un blocco soprattutto concettuale: la gravità quantistica viene spesso vista come un argomento estremamente astratto, quasi impossibile da collegare a fenomeni osservabili», conclude Bonanno. «Per certi versi è come trovarsi davanti a una parete in montagna che tutti considerano non scalabile. Il primo passo non è tecnico, ma mentale: convincersi che una via possibile esista davvero. Il lavoro nasce proprio da questa idea: cercare un collegamento concreto tra la fisica delle scale infinitamente piccole e fenomeni potenzialmente osservabili nel mondo reale».

Per saperne di più:

• Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Fifth-Force Constraints from UV-Complete Scalar–Tensor Gravity” di Alfio M. Bonanno ed Emiliano M. Glaviano