I buchi neri in miniatura potrebbero essere molti meno di quanto teorizzato, e questo è un problema

La caccia ai buchi neri minuscoli scomparsi, lasciati dal Big Bang, potrebbe essere sul punto di una svolta, ma lasciando dei grandi dubbi. 

Proprio quando la pista di questi buchi neri minuscoli sembrava essersi raffreddata, un team internazionale di scienziati ha trovato degli indizi nella fisica quantistica che potrebbero riaprire il caso. Uno dei motivi per cui la caccia a questi cosiddetti buchi neri primordiali è così pressante è che sono stati suggeriti come possibili candidati per la materia oscura, ma materia che manca all’appello per spiegare l’universo.

La materia oscura comprende l’85% della massa dell’universo, ma non interagisce con la luce come fa la materia comune. Si tratta della materia composta da atomi che compongono le stelle, i pianeti, le lune e i nostri corpi. Tuttavia, la materia oscura interagisce con la gravità e questa influenza può influenzare la ‘materia ordinaria’ e la luce. Però nessuno la può vedere

Se i buchi neri indotti dal Big Bang esistono davvero, sarebbero assolutamente minuscoli – alcuni potrebbero addirittura essere piccoli come un centesimo – e quindi possiedono masse pari a quelle di asteroidi o pianeti. Tuttavia, come le loro controparti più grandi, i buchi neri di massa stellare, che possono avere masse da 10 a 100 volte superiori a quella del sole, e i buchi neri supermassicci, che possono avere masse milioni o addirittura miliardi di volte superiori a quella del sole, i buchi neri minuscoli dall’alba dei tempi sarebbero delimitati da una superficie che intrappola la luce chiamata “orizzonte degli eventi“.

L’orizzonte degli eventi impedisce ai buchi neri di emettere o riflettere la luce – rendendo i piccoli buchi neri primordiali un solido candidato per la materia oscura. Potrebbero essere abbastanza piccoli da passare inosservati, ma abbastanza forti da avere un impatto sullo spazio.

Il team di scienziati – del Research Center for the Early Universe (RESCEU) e del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) dell’Università di Tokyo – ha applicato all’universo primordiale un quadro teorico che combina la teoria classica dei campi, la teoria della relatività speciale di Einstein e la meccanica quantistica. Quest’ultima spiega il comportamento di particelle come gli elettroni e i quark e dà origine alla cosiddetta teoria quantistica dei campi (QFT).

L’applicazione della QFT al cosmo primordiale ha portato il team a credere che ci siano molti meno ipotetici buchi neri primordiali nell’universo, rispetto a quanto stimato da molti modelli. Se questo è il caso, potrebbe escludere del tutto i buchi neri primordiali come sospetti di materia oscura.

“Li chiamiamo buchi neri primordiali e molti ricercatori ritengono che siano un forte candidato per la materia oscura, ma dovrebbero essercene molti per soddisfare questa teoria”, ha detto lo studente laureato dell’Università di Tokyo Jason Kristiano in un comunicato. Sono interessanti anche per altri motivi, poiché dopo la recente innovazione dell’astronomia delle onde gravitazionali, sono state scoperte fusioni binarie di buchi neri, che possono essere spiegate se i buchi neri primordiali esistono in gran numero”.

“Ma nonostante queste forti ragioni per la loro prevista abbondanza, non ne abbiamo visto nessuno direttamente, e ora abbiamo un modello che dovrebbe spiegare perché questo accada”.

Tornando alla nascita dell’Universo.

Dopo che le prime particelle sono emerse nell’universo durante questa espansione iniziale, lo spazio è diventato abbastanza freddo da permettere agli elettroni e ai protoni di legarsi e formare i primi atomi. Fu allora che nacque l’elemento idrogeno. Inoltre, prima che avvenisse il raffreddamento, la luce non poteva viaggiare nel cosmo. Questo perché gli elettroni disperdono all’infinito i fotoni, che sono particelle di luce. Quindi, durante queste epoche letteralmente buie, l’universo era essenzialmente opaco.

L’attuale eorizzazione della storia dell’universo

Tuttavia, una volta che gli elettroni liberi furono in grado di legarsi ai protoni e di smettere di rimbalzare dappertutto, la luce poté finalmente viaggiare liberamente. Dopo questo evento, chiamato “ultima dispersione”, e durante il periodo successivo noto come “epoca della reionizzazione”, l’universo è diventato istantaneamente trasparente alla luce. La prima luce che ha attraversato l’universo in questo periodo può essere vista ancora oggi come un campo di radiazioni per lo più uniforme, un “fossile” universale chiamato “fondo cosmico a microonde” o “CMB”.

Nel frattempo, gli atomi di idrogeno creati andarono a formare le prime stelle, le prime galassie e i primi ammassi di galassie. E, di certo, alcune galassie sembravano avere una massa maggiore di quella che i loro costituenti visibili possono rappresentare, con questo eccesso attribuito nientemeno che alla materia oscura.

Mentre i buchi neri di massa stellare si formano dal collasso e dalla morte di stelle massicce, e i buchi neri supermassicci si sviluppano dalle fusioni successive di buchi neri più piccoli, i buchi neri primordiali sono precedenti alle stelle – quindi, devono avere un’origine unica.

Alcuni scienziati ritengono che le condizioni nell’universo primordiale caldo e denso fossero tali che piccoli frammenti di materia potessero collassare sotto la loro stessa gravità per dare vita a questi minuscoli buchi neri – con orizzonti degli eventi non più larghi di un centesimo, o forse addirittura più piccoli di un protone, a seconda della loro massa.

Il team dietro questa ricerca ha esaminato in precedenza i modelli di buchi neri primordiali nell’universo primordiale, ma questi modelli non si sono allineati con le osservazioni della CMB. Per correggere questo problema, gli scienziati hanno applicato delle correzioni alla teoria principale della formazione dei buchi neri primordiali.

“All’inizio, l’universo era incredibilmente piccolo, molto più piccolo delle dimensioni di un singolo atomo. L’inflazione cosmica lo ha rapidamente espanso di 25 ordini di grandezza”, ha detto nella dichiarazione il direttore di Kavli IPMU e RESCEU Jun’ichi Yokoyama. “A quel tempo, le onde che viaggiavano attraverso questo spazio minuscolo potevano avere ampiezze relativamente grandi, ma lunghezze d’onda molto corte”.

Il team ha scoperto che queste onde minuscole ma forti possono subire un’amplificazione per diventare onde molto più grandi e più lunghe che gli astronomi vedono nell’attuale CMB. Il team ritiene che questa amplificazione sia il risultato della coerenza tra le prime onde corte, che può essere spiegata utilizzando la QFT.

“Mentre le singole onde corte sarebbero relativamente poco potenti, i gruppi coerenti avrebbero il potere di rimodellare onde molto più grandi di loro”, ha detto Yokoyama. “Questo è un raro caso in cui una teoria di qualcosa su una scala estrema sembra spiegare qualcosa all’estremità opposta della scala”.

Un’immagine della CMB ripresa dal telescopio Planck mostra minuscole variazioni che possono essere rivelatrici per i cosmologi (Credito immagine: ESA e Collaborazione Planck)

Se la teoria del team secondo cui le fluttuazioni precoci su piccola scala nell’universo possono crescere e influenzare le fluttuazioni su larga scala nella CMB è corretta, ciò avrà un impatto sul modo in cui le strutture sono cresciute nel cosmo. Misurare le fluttuazioni della CMB potrebbe aiutare a limitare le dimensioni delle fluttuazioni originali nell’universo primordiale. Questo, a sua volta, pone dei vincoli sui fenomeni che si basano su fluttuazioni più brevi, come i buchi neri primordiali.

“È opinione diffusa che il collasso di lunghezze d’onda brevi ma forti nell’universo primordiale sia ciò che crea i buchi neri primordiali”, ha detto Kristiano. “Il nostro studio suggerisce che i buchi neri primordiali dovrebbero essere molto meno numerosi di quanto sarebbe necessario, se sono davvero un forte candidato per la materia oscura o per gli eventi di onde gravitazionali”.

I buchi neri primordiali sono al momento decisamente ipotetici. Questo perché la natura di intrappolamento della luce dei buchi neri di massa stellare rende difficile vedere anche questi oggetti molto più grandi, quindi immagina quanto sarebbe difficile individuare un buco nero con un orizzonte degli eventi delle dimensioni di un centesimo.

La chiave per individuare i buchi neri primordiali potrebbe non risiedere nella “astronomia tradizionale”, ma piuttosto nella misurazione di minuscole increspature nello spazio, chiamate onde gravitazionali. Mentre gli attuali rilevatori di onde gravitazionali non sono abbastanza sensibili per rilevare le increspature nello spaziotempo dovute allo scontro tra buchi neri primordiali, i progetti futuri, come il Laser Interferometer Space Antenna (LISA), che porterà il rilevamento delle onde gravitazionali nello spazio. Questo potrebbe aiutare a confermare o respingere la teoria del team, avvicinando gli scienziati a confermare se i buchi neri primordiali potrebbero spiegare la materia oscura.