Cinquant’anni fa, il fisico Stephen Hawking ha proposto un’idea su cosa potrebbe essere la materia oscura: una popolazione di buchi neri primordiali, che potrebbe essersi formata subito dopo il Big Bang.
Tali buchi neri primordiali non sarebbero stati i giganti che rileviamo oggi, ma piuttosto regioni microscopiche di materia ultradensa che si sarebbero formate nel primo quintilionesimo di secondo successivo al Big Bang e poi sarebbero collassate e sparse nel Cosmo.
I buchi neri primordiali
La materia oscura è un’entità misteriosa che sfugge a ogni forma di osservazione diretta ma fa sentire la sua presenza attraverso la sua attrazione invisibile sugli oggetti visibili.
Un team di fisici del MIT ha scoperto che questo processo primordiale avrebbe anche prodotto alcuni compagni inaspettati: buchi neri ancora più piccoli con quantità senza precedenti di una proprietà fisica nucleare nota come “carica di colore”.
Questi buchi neri più piccoli e “super carichi” sarebbero stati uno stato della materia completamente nuovo, che probabilmente sarebbe evaporato una frazione di secondo dopo la loro generazione, eppure potrebbero ancora aver influenzato una transizione cosmologica chiave: il momento in cui sonostati forgiati i primi nuclei atomici.
Lo studio
I fisici hanno ipotizzato che i buchi neri carichi di colore potrebbero aver influenzato l’equilibrio dei nuclei in fusione, in un modo che gli astronomi potrebbero un giorno rilevare con misurazioni future. Una simile osservazione indicherebbe in modo convincente i buchi neri primordiali come la radice di tutta la materia oscura odierna.
“Anche se questi oggetti esotici e dalla vita breve non esistono oggi, potrebbero aver influenzato la storia cosmica in modi che potrebbero manifestarsi sotto forma di segnali sottili”, ha affermato David Kaiser, Professore di storia della scienza a Germeshausen e Professore di fisica all’Università di Berlino: “L’idea che tutta la materia oscura possa essere spiegata dai buchi neri, questo ci offre nuove cose da cercare”.
Kaiser e il suo coautore, la ricercatrice del MIT Elba Alonso-Monsalve, hanno pubblicato il loro studio sulla rivista Physical Review Letters.
I buchi neri che conosciamo e rileviamo oggi sono il prodotto del collasso stellare, quando il centro di una stella massiccia crolla su se stesso per formare una regione così densa da poter piegare lo spazio-tempo in modo tale che qualsiasi cosa, anche la luce, rimanga intrappolata al suo interno. Tali buchi neri “astrofisici” possono essere da poche volte più massicci del Sole a molti miliardi di volte più massicci.
I buchi neri primordiali, al contrario, possono essere molto più piccoli e si pensa che si siano formati in un tempo antecedente alle stelle. Prima ancora che l’Universo avesse messo a punto gli elementi di base, per non parlare delle stelle.
Gli scienziati ritengono che sacche di materia primordiale ultradensa avrebbero potuto accumularsi e collassare per formare microscopici buchi neri che avrebbero potuto essere così densi da comprimere la massa di un asteroide in una regione piccola quanto un singolo atomo. L’ attrazione gravitazionale di questi piccoli oggetti invisibili sparsi nell’Universo potrebbe spiegare tutta la materia oscura che oggi non possiamo vedere.
Se così fosse, di cosa sarebbero fatti questi buchi neri primordiali? Questa è la domanda che Kaiser e Alonso-Monsalve hanno affrontato nel loro nuovo studio.
“La gente ha studiato quale sarebbe stata la distribuzione delle masse dei buchi neri primordiali durante questa produzione primordiale dell’universo, ma non l’ha mai collegata a che tipo di cose sarebbero cadute in quei buchi neri nel momento in cui si stavano formando“,ha spiegato Kaiser.
I fisici del MIT hanno analizzato innanzitutto le teorie esistenti sulla probabile distribuzione delle masse dei buchi neri nel momento in cui si formavano nell’Universo primordiale.
“Ci siamo resi conto che esiste una correlazione diretta tra il momento in cui si forma un buco nero primordiale e la massa con cui si forma“, ha affermato Alonso-Monsalve: “E quella finestra temporale è assurdamente anticipata“.
Lei e Kaiser hanno calcolato che i buchi neri primordiali dovevano essersi formati entro il primo quintilionesimo di secondo successivo al Big Bang. Questo lampo di tempo avrebbe prodotto “tipici” buchi neri microscopici, massicci come un asteroide e piccoli come un atomo. Avrebbe anche prodotto una piccola frazione di buchi neri esponenzialmente più piccoli, con la massa di un rinoceronte e dimensioni molto più piccole di un singolo protone.
Di cosa sarebbero stati fatti questi buchi neri primordiali? Per questo si sono rivolti a studi che esploravano la composizione dell’Universo primordiale e, in particolare, alla teoria della cromodinamica quantistica (QCD), lo studio di come interagiscono quark e gluoni.
Conclusioni
Quark e gluoni sono gli elementi costitutivi fondamentali di protoni e neutroni, particelle elementari che si sono combinati per forgiare gli elementi base della tavola periodica. Immediatamente dopo il Big Bang, i fisici hanno stimato, sulla base della QCD, che l’Universo fosse un plasma immensamente caldo di quark e gluoni che poi si è raffreddato rapidamente e si è combinato per produrre protoni e neutroni.
I ricercatori hanno scoperto che, entro il primo quintilionesimo di secondo, l’Universo sarebbe stato ancora una zuppa di quark e gluoni liberi che dovevano ancora combinarsi. Eventuali buchi neri primordiali formatisi in questo periodo avrebbero inghiottito le particelle non legate, insieme a una proprietà esotica nota come “carica del colore“, uno stato di carica che solo i quark e i gluoni non combinati portano.
“Una volta che abbiamo capito che questi buchi neri primordiali si sono formati in un plasma di quark e gluoni, la cosa più importante che dovevamo capire era quanta carica di colore è contenuta nella massa di materia che finirà nei buchi neri primordiali?”, si è chiesto Alonso-Monsalve.
Usando la teoria QCD, hanno elaborato la distribuzione della carica di colore che avrebbe dovuto esistere in tutto il plasma caldo e primordiale. Quindi l’hanno confrontato con la dimensione di una regione che collasserebbe per formare i buchi neri primordiali nel primo quintilionesimo di secondo.
Si è scoperto che all’epoca non ci sarebbe stata molta carica di colore nella maggior parte dei tipici buchi neri, poiché si sarebbero formati assorbendo un numero enorme di regioni che avevano un mix di cariche, che alla fine si sarebbero sommate a una carica “neutra“.
Ma i buchi neri più piccoli sarebbero pieni di carica di colore. In effetti, avrebbero contenuto la quantità massima di qualsiasi tipo di carica consentita per un buco nero, secondo le leggi fondamentali della fisica. Sebbene tali buchi neri “estremi” fossero ipotizzati da decenni, fino ad ora nessuno aveva scoperto un processo realistico attraverso il quale avrebbero potuto effettivamente formarsi nel nostro Universo.
I buchi neri sovraccarichi sarebbero evaporati rapidamente, ma forse solo dopo il momento in cui iniziarono a formarsi i primi nuclei atomici. Gli scienziati hanno stimato che questo processo sia iniziato circa un secondo dopo il Big Bang, il che avrebbe dato ai buchi neri primordiali tutto il tempo necessario per sconvolgere le condizioni di equilibrio che avrebbero prevalso quando i primi nuclei iniziarono a formarsi. Tali disturbi potrebbero potenzialmente influenzare il modo in cui si sono formati i primi nuclei, in modi che un giorno potrebbero essere osservati.
“I buchi neri primordiali potrebbero aver lasciato alcune impressionanti impronte osservative“, ha concluso Alonso-Monsalve: “Avrebbero potuto cambiare l’equilibrio generale, e questo è il genere di cose su cui ci si può iniziare a interrogare”.
