Una nuova ricerca suggerisce che potremmo presto essere in grado di testare una delle teorie più controverse di Stephen Hawking.

La teoria di Stephen Hawking

Negli anni ’70, Stephen Hawking ha proposto che la materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della materia nel cosmo, possa essere costituita da buchi neri formati nei primi momenti del Big Bang.

Ora, tre astronomi hanno sviluppato una teoria che spiega non solo l’esistenza della materia oscura, ma anche l’aspetto dei più grandi buchi neri dell’universo.

“Quello che trovo personalmente super eccitante di questa idea è come unifica elegantemente i due problemi davvero impegnativi su cui lavoro – quello di sondare la natura della materia oscura e la formazione e la crescita dei buchi neri – e li risolve in un colpo solo”. Lo ha affermato in una nota il coautore dello studio Priyamvada Natarajan, astrofisico della Yale University.

Inoltre, diversi nuovi strumenti, incluso il James Webb Space Telescope appena lanciato, potrebbero produrre i dati necessari per valutare finalmente l’idea di Stephen Hawking.

Sfortunatamente, nell’universo moderno, i buchi neri si formano per il collasso gravitazionale indotto dalla morte di stelle massicce. Quindi creare buchi neri richiede molte stelle, il che richiede un mucchio di materia normale. Gli scienziati sanno quanta materia normale c’è nell’universo dai calcoli dell’universo primordiale, dove si sono formati i primi atomi di idrogeno ed elio, e semplicemente non c’è abbastanza materia normale per creare tutta la materia oscura che gli astronomi hanno osservato.

Giganti addormentati

È qui che è entrato in gioco Stephen Hawking. Nel 1971, suggerì che i buchi neri si fossero formati nell’ambiente caotico dei primi momenti del Big Bang. Lì, sacche di materia potrebbero aver raggiunto spontaneamente le densità necessarie per creare buchi neri, inondando di essi il cosmo ben prima che le prime stelle scintillassero.

Secondo Stephen Hawking questi buchi neri “primordiali” potrebbero essere responsabili della materia oscura. Sebbene l’idea fosse interessante, la maggior parte degli astrofisici si è concentrata invece sulla ricerca di una nuova particella subatomica per spiegare la materia oscura, ricerca fino ad ora rivelatasi infruttuosa.

Inoltre, i modelli di formazione primordiale dei buchi neri si sono scontrati con problemi di osservazione. Se nell’universo primordiale si fossero formati troppi buchi neri, avrebbero cambiato l’immagine della radiazione residua, nota come fondo cosmico a microonde (CMB). Ciò significa che la teoria sarebbe valida solo se il numero e le dimensioni degli antichi buchi neri fossero stati abbastanza limitati, o sarebbe in conflitto con le misurazioni del CMB. 

L’idea è stata ripresa nel 2015 quando il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ha trovato la sua prima coppia di buchi neri in collisione. I due buchi neri erano molto più grandi del previsto e un modo per spiegare la loro grande massa era supporre che si fossero formati nell’universo primordiale, non nel cuore delle stelle morenti.

Una soluzione semplice

Nell’ultima ricerca, Natarajan, Nico Cappelluti dell’Università di Miami e Günther Hasinger dell’Agenzia spaziale europea, hanno approfondito la teoria dei buchi neri primordiali, esplorando come potrebbero spiegare la materia oscura e possibilmente risolvere altre sfide cosmologiche.

Per superare gli attuali test osservativi, i buchi neri primordiali dovrebbero trovarsi entro un certo intervallo di massa. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno ipotizzato che i buchi neri primordiali avessero una massa di circa 1,4 volte la massa del Sole. Hanno costruito un modello dell’universo che ha sostituito tutta la materia oscura con questi buchi neri abbastanza leggeri, e poi hanno cercato indizi osservativi che potessero convalidare (o escludere) il modello.

Il team ha scoperto che i buchi neri primordiali potrebbero aver svolto un ruolo importante nell’universo, seminando le prime stelle, le prime galassie e i primi buchi neri supermassicci (SMBH). Le osservazioni indicano che stelle, galassie e SMBH appaiono molto rapidamente nella storia cosmologica, forse troppo rapidamente per essere spiegati dai processi di formazione e crescita che osserviamo nell’universo attuale.

“I buchi neri primordiali, se esistono, potrebbero essere i semi da cui si sono formati tutti i buchi neri supermassicci, incluso quello al centro della Via Lattea”, ha detto Natarajan.

E la teoria è semplice e non richiede uno zoo di nuove particelle per spiegare la materia oscura.

“Il nostro studio mostra che senza introdurre nuove particelle o nuova fisica, possiamo risolvere i misteri della moderna cosmologia dalla natura della materia oscura stessa all’origine dei buchi neri supermassicci”, ha affermato Cappelluti nella dichiarazione.

Finora questa idea è solo un modello, ma potrebbe essere testato in tempi relativamente brevi. Il James Webb Space Telescope, lanciato il giorno di Natale dopo anni di ritardi, è progettato specificamente per rispondere alle domande sull’origine delle stelle e delle galassie. E la prossima generazione di rivelatori di onde gravitazionali, in particolare la Laser Interferometer Space Antenna (LISA), è pronta a rivelare molto di più sui buchi neri, compresi quelli primordiali se esistono.

La cometa Bernardinelli-Bernstein (BB) – la più grande che i nostri telescopi abbiano mai individuato – è in viaggio dai confini esterni del nostro Sistema Solare in direzione dell’orbita di Saturno.

Ora, una nuova analisi dei dati che abbiamo raccolto su BB ha rivelato qualcosa di sorprendente.

Scavando nelle letture registrate dal Transient Exoplanet Survey Satellite (TESS) tra il 2018 e il 2020, i ricercatori hanno scoperto che BB è diventata attiva molto prima e molto più lontano dal Sole, di quanto si ritenesse potesse succedere.

Una cometa si attiva quando la luce del Sole riscalda la sua superficie ghiacciata, trasformando il ghiaccio in vapore che libera polvere e sabbia intrappolate. La foschia risultante, chiamata coma, può essere utile per gli astronomi per capire esattamente di cosa è fatta una particolare cometa.

Nel caso di Bernardinelli-Bernstein, è ancora troppo lontana perché l’acqua possa sublimarsi. Sulla base di studi su comete a distanze simili, è probabile che la nebbia emergente sia guidata invece da un lento rilascio di monossido di carbonio. Solo una cometa attiva è stata precedentemente osservata direttamente a una distanza maggiore dal Sole, ed era molto più piccola di Bernardinelli-Bernstein.

“Queste osservazioni stanno spingendo le distanze delle comete attive drammaticamente più lontano di quanto non sapessimo in precedenza“, afferma l’astronomo Tony Farnham, dell’Università del Maryland (UMD).

Per rilevare il coma intorno a Bernardinelli-Bernstein è stata necessaria una stratificazione intelligente delle immagini: i ricercatori hanno dovuto combinare più istantanee di TESS, che utilizza esposizioni lunghe 28 giorni, allineando ogni volta la posizione della cometa per osservarla meglio.

Le dimensioni della cometa – circa 100 chilometri di diametro – e la sua distanza dal Sole quando è diventata attiva sono i principali indizi della presenza di monossido di carbonio. In effetti, in base a ciò che sappiamo sul monossido di carbonio, BB stava probabilmente già producendo un coma prima che arrivasse in vista dei nostri telescopi.

“Partiamo dal presupposto che la cometa Bernardinelli-Bernstein fosse probabilmente attiva anche più lontano, ma non l’abbiamo mai vista prima“, afferma Farnham.

“Quello che non sappiamo ancora è se c’è un punto limite in cui possiamo iniziare a vedere queste cose prima che diventino attive“.

Ripetendo la tecnica di impilamento delle immagini su oggetti della fascia di Kuiper, i ricercatori sono stati in grado di confermare che i loro metodi sono davvero validi e che l’attività che hanno individuato intorno a BB non era solo un effetto sfocato causato dall’inserimento di diverse immagini una sull’altra.

Tutti questi calcoli accurati sono utili agli astronomi per capire da dove provengono le singole comete e da lì per risalire alla storia del nostro Sistema Solare. Questo è certamente il caso di Bernardinelli-Bernstein, che continua ad essere di grande interesse per gli esperti.

E, man mano che i nostri telescopi e le nostre sonde diventano ancora più potenti, le scoperte di comete continueranno ad arrivare, sia che si tratti di trovare i tipi di comete più rari nello spazio, sia di trovare comete con composizioni chimiche che sono molto lontane dalla norma.

“Questo è solo l’inizio“, afferma Farnham. “TESS sta osservando cose che non sono ancora state scoperte, e questo è una specie di banco di prova di ciò che saremo in grado di trovare“.

“Abbiamo il potenziale per, una volta vista una cometa, tornare indietro nel tempo nelle immagini e trovarle mentre si trovano a distanze maggiori dal Sole“.

La ricerca è stata pubblicata sul Planetary Science Journal.