Minuscoli buchi neri, creati pochi secondi dopo la nascita dell’universo, potrebbero sopravvivere più a lungo del previsto, riaccendendo il sospetto che i buchi neri primordiali possano spiegare la materia oscura, la materia più misteriosa dell’universo. La materia oscura rappresenta attualmente uno dei problemi più urgenti della fisica. Questo perché, nonostante costituisca circa l’85% della materia nel cosmo, la materia oscura rimane effettivamente invisibile ai nostri occhi perché non interagisce con la luce.
Poiché le particelle che compongono gli atomi che costituiscono le cose “quotidiane” che possiamo vedere, come le stelle, i pianeti e i nostri stessi corpi, interagiscono chiaramente con la luce, ciò ha spinto la ricerca di particelle di materia oscura al di fuori del Modello Standard della fisica delle particelle. Molti scienziati ritengono che la risposta potrebbe ancora trovarsi all’interno del Modello Standard, se consideriamo i buchi neri.
Valentin Thoss, scienziato del Max Planck Institute, e Ana Fernandes Alexandre dell’Università di Lisbona, sono due ricercatori recentemente coinvolti in questi studi. Si ipotizza che minuscoli buchi neri nati oltre 13,8 miliardi di anni fa, subito dopo il Big Bang, che non sono più grandi di un protone, potrebbero raggrupparsi per diventare sospettati di materia oscura senza la necessità di nuova fisica.
Cosa sono i buchi neri primordiali?
“Come suggerisce il nome, i ‘buchi neri primordiali’ sono un tipo di buco nero che si forma all’inizio dell’universo“, ha detto Thoss a Space.com. “Nella prima frazione di secondo dell’universo, in effetti”. Ha spiegato che tutte le strutture che osserviamo nell’universo, dai superammassi di galassie alle galassie al loro interno, sono formate da lievi sovradensità nello spazio presenti durante l’universo primordiale. Se l’universo primordiale avesse sperimentato fluttuazioni di densità molto più forti di quelle che hanno creato queste caratteristiche, e queste fluttuazioni fossero collassate prima della formazione delle galassie, allora quelle zone eccessivamente dense avrebbero potuto stimolare buchi neri primordiali.
Thoss ha aggiunto che, a seconda del momento in cui potrebbe essersi verificato questo collasso e della sua portata, questi buchi neri primordiali avrebbero masse molto diverse. I buchi neri primordiali che Thoss e Fernandes Alexandre considerano possibili candidati alla materia oscura avrebbero masse comprese tra poche tonnellate e mille tonnellate, per essere precisi, che è inferiore alla massa di un pianeta e più nella categoria di un piccolo asteroide. Considerando che i buchi neri più piccoli che gli scienziati hanno scoperto finora, conosciuti come buchi neri di massa stellare, hanno masse equivalenti tra 3 e 50 volte quella del Sole, questi buchi neri primordiali sono incredibilmente piccoli.
Come i buchi neri più grandi formatisi dal collasso di stelle massicce o dalla fusione di buchi neri relativamente più piccoli, secondo Fernandes Alexandre, i buchi neri primordiali avrebbero un confine esterno che intrappola la luce chiamato orizzonte degli eventi. Il diametro di questo orizzonte è determinato dalla massa del buco nero, il che significa che in quei casi l’orizzonte degli eventi sarebbe incredibilmente piccolo. “Più piccolo del raggio di un protone”, ha detto Fernandes Alexandre.
Piccoli buchi neri primordiali erano stati precedentemente esclusi come candidati alla materia oscura perché si pensa che tutti i buchi neri “perdano” un tipo di radiazione termica teorizzata per la prima volta da Stephen Hawking nel 1974 e successivamente chiamata “radiazione di Hawking”. Quanto più piccolo è un buco nero, tanto più rapidamente dovrebbe disperdere la radiazione di Hawking e, quindi, tanto più velocemente dovrebbe evaporare. Ciò significa che se i buchi neri primordiali fossero mai esistiti, gli esempi più piccoli non dovrebbero esistere oggi, ma la materia oscura chiaramente sì.
“I buchi neri primordiali con le masse che Ana e io stiamo ora considerando erano stati precedentemente considerati essenzialmente esclusi perché si presumeva che fossero completamente evaporati in questo momento nell’universo“, ha detto Thoss.
Un recente lavoro di Giorgi Dvali, un fisico teorico dell’Università di Monaco che ha collaborato con Thoss e Fernandes Alexandre, ha suggerito che il processo di evaporazione a un certo punto, tuttavia, si interrompe. Ciò significa che le masse dei buchi neri primordiali considerati dagli scienziati potrebbero raggiungere uno stato semi-stabile. “Per diminuire la sua massa attraverso l’emissione della radiazione di Hawking, il buco nero deve ‘riscrivere’ le sue informazioni. Questo processo di riscrittura richiede tempo“, ha spiegato Fernandes Alexandre, e questo “in un certo senso rallenta il processo di evaporazione complessivo. Quindi è una sorta di stabilizzazione”. E questo meccanismo significa che i buchi neri primordiali tornano alla carica come potenziali candidati alla materia oscura!
I buchi neri primordiali e la materia oscura
Il fatto che oggi nell’universo possano esistere buchi neri primordiali, tuttavia, non significa immediatamente che debbano essere considerati sospetti di materia oscura. Si dà il caso che ci siano altre ragioni per collegare questi minuscoli ipotetici buchi neri al misterioso contenuto di materia dell’universo. Forse la connessione più ovvia è la mancanza di interazione della materia oscura con la luce. La materia oscura non emette né riflette la luce e l’orizzonte degli eventi che delimita tutti i buchi neri rappresenta il punto in cui la velocità di fuga necessaria per attraversarlo supera la velocità della luce. Ciò significa che i buchi neri primordiali “intrappolerebbero” tutta la luce incidente, risultando in un’apparente mancanza di interazioni.
“Se sono abbastanza leggeri, più o meno intorno alla massa planetaria, i buchi neri primordiali si comportano come particelle di materia oscura per tutti gli scopi che ci interessano“, ha detto Thoss. “La materia oscura è ‘senza collisioni’ nei modelli standard, quindi le particelle di materia oscura non interagiscono tra loro a un livello tale da influenzare l’universo”.
L’esperto ha aggiunto che se i buchi neri primordiali fossero più leggeri delle masse planetarie, allora, anche su scale temporali cosmiche, sarebbero così piccoli che molto raramente entrerebbero in collisione. Questi buchi neri primordiali potrebbero piuttosto raggrupparsi per creare gli effetti gravitazionali che attualmente attribuiamo alla materia oscura.
Tuttavia, se i buchi neri primordiali dovessero raggrupparsi per rendere conto degli effetti della materia oscura, cosa impedirebbe a questi buchi neri di riunirsi e fondersi per creare buchi neri più grandi? Un ammasso di minuscoli buchi neri non diventerebbe alla fine un unico enorme buco nero? Thoss ha detto che questo aspetto è stato indagato e la risposta è semplicemente: “no”. “Anche se si tiene conto del clustering, le scale temporali per la fusione sono così lunghe che si fonderebbero solo in buchi neri veramente massicci durante l’intera età dell’universo“, ha continuato.
Thoss ha aggiunto che la bellezza dell’utilizzo dei buchi neri primordiali come spiegazione della materia oscura è che, a differenza del suggerimento di un’ipotetica particella come un assione per spiegare il mistero, i buchi neri primordiali non richiedono un’estensione al Modello Standard della fisica delle particelle, la migliore spiegazione che abbiamo dell’universo su scala subatomica. Tuttavia, sarà incredibilmente difficile confermare che i buchi neri primordiali siano materia oscura, se riescono davvero a spiegare il fenomeno. Infatti, la loro natura che intrappola la luce significa che sono effettivamente invisibili. Inoltre, essendo di dimensioni così ridotte, non hanno gli stessi immensi effetti gravitazionali dei loro fratelli stellari e supermassicci.
Anche in questo caso, se dovesse essere rilevato un ammasso di buchi neri primordiali, non esiste un modo reale per distinguere tra tanti piccoli buchi neri e un grande buco nero. Nonostante questa difficoltà, Thoss e Fernandes Alexandre intendono restare sulle tracce dei buchi neri primordiali, almeno in teoria. Se le particelle candidate per la materia oscura continuano a non manifestarsi, forse la risposta è convincere più fisici a iniziare a guardare oltre il recinto metaforico tra fisica delle particelle e cosmologia.
“Non direi che i buchi neri primordiali siano mai stati scartati come candidati alla materia oscura; sono stati però ignorati per un po’“, ha detto Fernandes Alexandre. “Ora, considerato il fatto che in realtà non abbiamo alcun rilevamento di particelle di materia oscura, penso che diventi sempre più rilevante considerare questa opzione”.
