Evaporazione di buchi neri primordiali come energia oscura

La recente osservazione dell’emissione di onde gravitazionali da parte di inspiral di buchi neri ha ravvivato l’idea allettante che una parte del bilancio di materia oscura (DM) del nostro universo potrebbe consistere in buchi neri primordiali (PBH).
Il tasso inaspettatamente grande di fusione di buchi neri dedotto dalle osservazioni LIGO si sovrappone a varie stime derivate da modelli di materia oscura PBH. Questo punto di vista è rafforzato dal fatto che i buchi neri progenitori responsabili dell’emissione di onde gravitazionali sembrano essere senza spin, una proprietà che difficilmente si trova nei buchi neri di origine astrofisica, mentre naturale per i PBH.
L’idea di PBH che sta rimodellando la nostra comprensione della materia oscura come formazione di PBH poco dopo il Big Bang, durante l’era delle radiazioni, richiede fluttuazioni primordiali di curvatura con ampiezze abbastanza grandi da indurre il collasso gravitazionale della materia in buchi neri entro l’orizzonte.
Un meccanismo ben noto che porta a tale amplificazione è un periodo di inflazione ultra-rallentata, dovuta a un punto di inflessione come, ad esempio, l‘inflazione di Higgs [1]. Inoltre, i PBH potrebbero essere stati prodotti in abbondanza a causa di vari altri meccanismi. Gli esempi includono: transizioni di fase, ad esempio collisioni di bolle, collasso di difetti topologici o altri oggetti solitonici; un periodo di lento riscaldamento, ad esempio un’era dominata dalla materia primordiale; effetti di risonanza; instabilità dei mediatori della quinta forza; cosmologie fortemente accoppiate. Infine, essendo sensibile alla distribuzione delle fluttuazioni primordiali, la formazione di PBH è intrecciata con condizioni iniziali non gaussiane che collegano la densità della materia oscura alla dinamica dell’Universo primordiale.
D’altra parte, è emersa una tensione tra le misurazioni della distanza lunga (universo precoce) e breve (locale) della costante di Hubble, che fino ad ora è persistita a un livello di confidenza considerevolmente elevato di 4,4σ, una possibilità che, se confermata, potrebbe aprire la strada ad una nuova fisica su scala cosmologica, o forse anche microfisica.
È ben noto che un modo per riconciliare le misurazioni locali e cosmologiche di H0 è considerare un accoppiamento tra materia oscura e radiazione (oscura) in modo che la prima decada / annichilendo con la seconda. Questo processo abbassa lo spostamento verso il rosso della parità materia / radiazione, amplificando così l’età dell’Universo.
Lo studio, che sarà pubblicato il prossimo 27 gennaio su Physics of the Dark Universe, propone una realizzazione di questo scenario a causa dell’effetto quantistico dell’evaporazione di Hawking dei buchi neri primordiali.
In tal caso, la radiazione, non è oscura poiché è composta da particelle del Modello Standard relativistico e come tale è soggetta a vincoli. I fotoni e i leptoni carichi emessi da BH di massa sufficientemente bassa sono vincolati dalle osservazioni sui raggi γ e cosmici, mentre l’emissione di neutrini è stata studiata precedentemente. La massa più bassa possibile per cui la DM può essere interamente dovuta ai PBH è  MPBH ≃ 2 × 10^16 g , tuttavia, il consenso sui vincoli non è completamente risolto.
Viene dimostrato che per una popolazione PBH monocromatica attorno a questo intervallo di massa, le particelle emesse si comportano come un fluido di energia oscura con un’equazione di stato dipendente dal tempo  – wDE (z). Considerando l’intera storia dell’espansione dalla ricombinazione a redshift molto bassi si mostra che, l’effetto è troppo piccolo per avere un impatto significativo, ad esempio, sul valore di H0. Tuttavia, si pensa di avere una frazione molto piccola (fPBH ∼ 10^−7) di buchi neri primordiali molto leggeri (MPBH ∼ 10^9 g), compatibile con vincoli in questo intervallo.
Una tale popolazione sarebbe completamente decaduta prima della nucleosintesi e come tale non può servire come candidato DM; può, tuttavia, produrre la radiazione sufficiente per aumentare la costante di Hubble, riducendo così la tensione.
[Evaporating primordial black holes as varying dark energy – Nesseris et al. 2019] https://doi.org/10.1016/j.dark.2019.100413
[1] J. M. Ezquiaga, J. Garcia-Bellido, and E. Ruiz Morales, “Primordial Black Hole production in Critical Higgs Inflation,” Phys. Lett. B776 (2018) 345–349, arXiv:1705.04861 [astro-ph.CO].