Davvero subito dopo il Big Bang si sono formati buchi neri primordiali?

L'esistenza di buchi neri primordiali, pozzi gravitazionali formati pochi istanti dopo il Big Bang che alcuni scienziati hanno suggerito potrebbero essere una spiegazione per la materia oscura, può essere testata usando le onde gravitazionali

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I buchi neri supermassicci sono stati descritti dagli astronomi come le “porte dell’inferno” e “porte a senso unico per uscire dall’universo“. Ora, l’esistenza di buchi neri primordiali, pozzi gravitazionali formati pochi istanti dopo il Big Bang che alcuni scienziati hanno suggerito potrebbero essere una spiegazione per la materia oscura, può essere testata usando le onde gravitazionali.

Gli antichi buchi neri ci potrebbero dare accesso a una fisica che altrimenti non potremmo conoscere“, ha dichiarato Dan Hooper, capo del gruppo di astrofisica teorica al Fermilab. Se i buchi neri primordiali sono davvero esistiti, potrebbero fornirci il potenziale per risolvere tutta una serie dei più grandi problemi della cosmologia, non ultimo il mistero della materia oscura, considerata la spina dorsale della struttura dell’universo.

Buchi neri non di origine stellare 

Sappiamo molto bene che i buchi neri possono essere formati dal collasso di grandi stelle o, come abbiamo visto di recente, dalla fusione di due stelle di neutroni“, ha detto Savvas Koushiappas, professore associato di fisica alla Brown University e coautore di uno studio con Avi Loeb dell’Università di Harvard. “Ma è stato ipotizzato che potrebbero esserci buchi neri che si sono formati nell’universo primordiale prima che le stelle esistessero. Questo è ciò che stiamo affrontando con questo lavoro“.

L’idea è molto semplice“, ha detto Koushiappas. “Con i futuri esperimenti sulle onde gravitazionali, saremo in grado di guardare indietro nel tempo fino a prima della formazione delle prime stelle. Quindi, se vedremo eventi di fusione di buchi neri prima che le stelle esistessero, allora sapremo che quei buchi neri non sono di origine stellare“.

Fluttuazioni quantistiche

L’idea è che poco dopo il Big Bang, le fluttuazioni della meccanica quantistica hanno portato alla distribuzione della densità della materia che osserviamo oggi nell’universo in espansione. È stato suggerito che alcune di queste fluttuazioni di densità potrebbero essere state abbastanza grandi da generare buchi neri disseminati in tutto l’universo. 



Questi cosiddetti buchi neri primordiali furono proposti per la prima volta all’inizio degli anni ’70 da Stephen Hawking e dai suoi collaboratori, ma non sono mai stati rilevati: non è ancora chiaro se siano mai esistiti.

La capacità di rilevare le onde gravitazionali, come dimostrato di recente dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ha il potenziale per gettare nuova luce sulla questione. Tali esperimenti rilevano increspature nel tessuto dello spaziotempo associate a giganteschi eventi astronomici come la collisione di due buchi neri. LIGO ha già rilevato diverse fusioni di buchi neri e futuri esperimenti saranno in grado di rilevare eventi accaduti molto più indietro nel tempo.

I cosmologi misurano quanto indietro nel tempo si è verificato un evento utilizzando il redshift, lo stiramento della lunghezza d’onda della luce associato all’espansione dell’universo. Gli eventi più indietro nel tempo sono associati a spostamenti verso il rosso più ampi. Per questo studio, Koushiappas e Loeb hanno calcolato il redshift in corrispondenza del quale le fusioni di buchi neri non dovrebbero più essere rilevate assumendo solo l’origine stellare.

I calcoli mostrano che con un redshift di 40, che equivale a circa 65 milioni di anni dopo il Big Bang, gli eventi di fusione dovrebbero essere rilevati a una velocità non superiore a uno all’anno, assumendo l’origine stellare. A spostamenti verso il rosso superiori a 40, gli eventi dovrebbero scomparire del tutto.

Questo è davvero il punto morto“, ha detto Koushiappas. “In realtà, ci aspettiamo che gli eventi di fusione si interrompano ben prima di quel punto, ma uno spostamento verso il rosso di circa 40 è il punto limite più difficile in assoluto“.

Uno spostamento verso il rosso di 40 dovrebbe essere alla portata di diversi esperimenti proposti sulle onde gravitazionali. E se rilevano eventi di fusione oltre a questo, significa una delle due cose, dicono Koushiappas e Loeb: o esistono davvero i buchi neri primordiali o l’universo primordiale si è evoluto in un modo molto diverso dal modello cosmologico standard. Entrambe sarebbero scoperte molto importanti, dicono i ricercatori.

Ad esempio, i buchi neri primordiali rientrano in una categoria di entità note come MACHO o Massive Compact Halo Objects. Alcuni scienziati hanno proposto che la materia oscura, che si ritiene comprenda la maggior parte della massa dell’universo, possa essere composta da MACHO sotto forma di buchi neri primordiali. Un rilevamento di buchi neri primordiali rafforzerebbe questa idea, mentre un mancato rilevamento getterebbe dubbi su di esso.

L’unica altra spiegazione possibile per le fusioni di buchi neri con spostamenti verso il rosso maggiori di 40 è che l’universo è “non gaussiano“. 

Nel modello cosmologico standard, le fluttuazioni della materia nell’universo primordiale sono descritte da una distribuzione di probabilità gaussiana. Un rilevamento di fusione potrebbe significare che le fluttuazioni della materia deviano da una distribuzione gaussiana.

Le prove per la non gaussianità richiederebbero una nuova fisica per spiegare l’origine di queste fluttuazioni, il che sarebbe un grosso problema“, ha commentato Loeb.

La velocità con cui vengono effettuati i rilevamenti dopo uno spostamento verso il rosso di 40 – se effettivamente tali rilevamenti verranno effettuati – dovrebbe indicare se sono un segno di buchi neri primordiali o prove di non gaussianità. Ma un mancato rilevamento rappresenterebbe una forte sfida a quelle idee.

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