In un nuovo studio, i fisici del MIT propongono che se la maggior parte della materia oscura nell’Universo è composta da buchi neri primordiali microscopici, un’idea proposta per la prima volta negli anni ’70, allora queste nane gravitazionali dovrebbero sfrecciare attraverso il nostro Sistema Solare almeno una volta ogni decennio. Un flyby come questo, prevedono i ricercatori, introdurrebbe un’oscillazione nell’orbita di Marte, a un livello che la tecnologia odierna potrebbe effettivamente rilevare. Tale rilevamento potrebbe supportare l’idea che i buchi neri primordiali siano una fonte primaria di materia oscura in tutto l’Universo.
“Considerati decenni di telemetria di precisione, gli scienziati conoscono la distanza tra la Terra e Marte con una precisione di circa 10 centimetri”, afferma l’autore dello studio David Kaiser, Professore di fisica al MIT. “Stiamo sfruttando questa regione dello spazio altamente strumentata per cercare di individuare un piccolo effetto. Se lo vedessimo, sarebbe una vera ragione per continuare a perseguire questa deliziosa idea che tutta la materia oscura sia composta da buchi neri che si sono generati in meno di un secondo dopo il Big Bang e che hanno percorso l’Universo per 14 miliardi di anni”.
Kaiser e colleghi hanno riportato le loro scoperte sulla rivista Physical Review D.
Oltre le particelle
Meno del 20% di tutta la materia fisica è composta da cose visibili, dalle stelle e dai pianeti fino al lavandino della cucina. Il resto è composto da materia oscura, una forma ipotetica di materia invisibile nell’intero spettro elettromagnetico, ma che si ritiene pervada l’Universo ed eserciti una forza gravitazionale abbastanza grande da influenzare il moto di stelle e galassie.
I fisici hanno eretto dei rilevatori sulla Terra per cercare di individuare la materia oscura e definirne le proprietà. Per la maggior parte, questi esperimenti presuppongono che la materia oscura esista come una forma di particella esotica che potrebbe disperdersi e decadere in particelle osservabili mentre attraversa un dato esperimento. Ma finora, tali ricerche basate sulle particelle sono state vane.
Negli ultimi anni, un’altra possibilità, introdotta per la prima volta negli anni ’70, ha ripreso piede: anziché assumere la forma di una particella, la materia oscura potrebbe esistere come buchi neri microscopici e primordiali che si sono formati nei primi momenti successivi al Big Bang. A differenza dei buchi neri astrofisici che si formano dal collasso di stelle antiche, i buchi neri primordiali si sarebbero formati dal collasso di dense sacche di gas nell’Universo primordiale e si sarebbero sparsi nel cosmo mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava.
Questi buchi neri primordiali avrebbero fatto collassare un’enorme quantità di massa in uno spazio minuscolo. La maggior parte di questi buchi neri primordiali potrebbe essere piccola quanto un singolo atomo e pesante quanto i più grandi asteroidi. Sarebbe quindi concepibile che giganti così minuscoli potessero esercitare una forza gravitazionale che potrebbe spiegare almeno una parte della materia oscura. Per il team del MIT, questa possibilità ha sollevato una domanda inizialmente frivola.
“Penso che qualcuno mi abbia chiesto cosa succederebbe se un buco nero primordiale attraversasse un corpo umano”, ricorda Tung Tran, autore principale dello studio, che ha fatto un rapido calcolo con carta e matita per scoprire che se un buco nero del genere sfrecciasse a 1 metro da una persona, la forza del buco nero spingerebbe la persona a 6 metri di distanza in un solo secondo. Tung ha anche scoperto che le probabilità erano astronomicamente improbabili che un buco nero primordiale passasse da qualche parte vicino a una persona sulla Terra.
Il loro interesse è stato stuzzicato e i ricercatori hanno portato i calcoli di Tung un passo avanti, per stimare come un flyby di un buco nero potrebbe influenzare corpi molto più grandi come la Terra e la Luna. “Abbiamo estrapolato per vedere cosa accadrebbe se un buco nero sorvolasse la Terra e facesse oscillare un po’ la Luna”, dice Tung. “I numeri che abbiamo ottenuto non erano molto chiari. Ci sono molte altre dinamiche nel Sistema Solare che potrebbero agire come una sorta di attrito per far sì che l’oscillazione si smorzi”.
Incontri ravvicinati
Per ottenere un quadro più chiaro, il team ha generato una simulazione relativamente semplice del Sistema Solare che incorpora le orbite e le interazioni gravitazionali tra tutti i pianeti e alcune delle lune più grandi.
“Le simulazioni all’avanguardia del Sistema Solare includono più di un milione di oggetti, ognuno dei quali ha un piccolo effetto residuo”, fa notare Benjamin Lehmann, co-autore dello studio. “Ma anche modellando due dozzine di oggetti in una simulazione attenta, abbiamo potuto vedere che c’era un effetto reale che potevamo approfondire”.
Il team ha elaborato la velocità con cui un buco nero primordiale dovrebbe attraversare il Sistema Solare, in base alla quantità di materia oscura che si stima risieda in una data regione dello spazio e alla massa di un buco nero di passaggio, che in questo caso hanno ipotizzato essere massiccio quanto i più grandi asteroidi del Sistema Solare, in linea con altri vincoli astrofisici.
“I buchi neri primordiali non vivono nel Sistema Solare. Piuttosto, scorrono nell’Universo, facendo le loro cose“, afferma la coautrice Sarah Geller. “E la probabilità è che attraversino il Sistema Solare interno a una certa angolazione una volta ogni 10 anni circa”.
Data questa velocità, i ricercatori hanno simulato vari buchi neri di massa asteroidale che volavano attraverso il Sistema Solare, da varie angolazioni e a velocità di circa 240km al secondo. (Le direzioni e le velocità provengono da altri studi sulla distribuzione della materia oscura nella nostra galassia.) Si sono concentrati su quei flyby che sembravano essere “incontri ravvicinati”, o casi che hanno causato una sorta di effetto negli oggetti circostanti. Hanno scoperto rapidamente che qualsiasi effetto sulla Terra o sulla Luna era troppo incerto per essere attribuito a un buco nero in particolare. Ma Marte sembrava offrire un quadro più chiaro.
L’oscillazione di Marte
I ricercatori hanno scoperto che se un buco nero primordiale dovesse passare a poche centinaia di milioni di chilometri da Marte, l’incontro innescherebbe una “oscillazione”, ossia una leggera deviazione nell’orbita di Marte. Entro pochi anni da un tale incontro, l’orbita di Marte dovrebbe spostarsi di circa un metro, un’oscillazione incredibilmente piccola, dato che il pianeta si trova a più di 225 milioni di chilometri dalla Terra. Tuttavia, questa oscillazione potrebbe essere rilevata dai vari strumenti ad alta precisione che monitorano Marte oggi.
Se un’oscillazione del genere venisse rilevata nei prossimi due decenni, i ricercatori riconoscono che ci sarebbe ancora molto lavoro da fare per confermare che la spinta proviene da un buco nero di passaggio piuttosto che da un comune asteroide.
“Abbiamo bisogno di quanta più chiarezza possibile sui contesti previsti, come le velocità e le distribuzioni tipiche delle rocce spaziali banali, rispetto a questi buchi neri primordiali“, osserva Kaiser. “Fortunatamente per noi, gli astronomi hanno seguito per decenni le normali rocce spaziali mentre attraversavano il nostro Sistema Solare, così abbiamo potuto calcolare le proprietà tipiche delle loro traiettorie e iniziare a confrontarle con i diversi tipi di percorsi e velocità che i buchi neri primordiali dovrebbero seguire”.
Per facilitare questo, i ricercatori stanno esplorando la possibilità di una nuova collaborazione con un gruppo che ha una vasta esperienza nella simulazione di molti altri oggetti nel Sistema Solare.
“Stiamo lavorando per simulare un numero enorme di oggetti, dai pianeti alle lune e alle rocce, e come si muovono tutti su lunghe scale temporali“, afferma Geller. “Vogliamo introdurre scenari di incontri ravvicinati e osservare i loro effetti con maggiore precisione“.
“È un test molto interessante quello che hanno proposto e potrebbe dirci se il buco nero più vicino è più vicino di quanto pensiamo”, afferma Matt Caplan, Professore associato di fisica presso l’Illinois State University, che non è stato coinvolto nello studio. “Vorrei sottolineare che c’è anche un po’ di fortuna. Che una ricerca trovi o meno un segnale forte e chiaro dipende dal percorso esatto che un buco nero vagante compie attraverso il Sistema Solare. Ora che hanno verificato questa idea con delle simulazioni, devono fare la parte più difficile: verificare i dati reali”.
