Materia oscura: rivalutata l’ipotesi di Hawking

Da decenni gli scienziati cercano di osservare direttamente la materia oscura, la sostanza sfuggente e invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell’Universo. Da circa 50 anni la comunità scientifica è alle prese con un problema sostanziale: non c’è abbastanza materia visibile nel Cosmo.

Caccia alla materia oscura: assioni e nuove speranze, Terra

Il dilemma della materia oscura

Tutta la materia che possiamo vedere, stelle, pianeti, polvere cosmica e tutto quello che c’è in mezzo, non può spiegare il motivo per cui l’Universo si comporta in un certo modo. Gli scienziati la chiamano materia oscura, perché non interagisce con la luce ed è invisibile.

Negli anni ’70, gli astronomi americani Vera Rubin e W. Kent Ford hanno confermato l’esistenza della materia oscura osservando le stelle in orbita ai margini delle galassie a spirale. Hanno notato che queste stelle si muovevano troppo velocemente per essere tenute insieme dalla materia visibile della galassia e dalla sua gravità: avrebbero dovuto invece volare via. L’unica spiegazione era una grande quantità di materia invisibile, che teneva insieme la galassia.

Materia oscura

“Quello che vedi in una galassia a spirale”, ha detto Rubin all’epoca, “non è quello che ottieni”. Il suo lavoro si è basato su un’ipotesi formulata negli anni ’30 dall’astronomo svizzero Fritz Zwicky e ha dato il via alla ricerca della sostanza sfuggente. Da allora, gli scienziati hanno cercato di osservare direttamente la materia oscura e hanno persino costruito grandi dispositivi per rilevarla, ma finora senza fortuna.

La materia oscura si nasconde nei buchi neri?

All’inizio della ricerca, il famoso fisico britannico Stephen Hawking aveva ipotizzato che la materia oscura potesse nascondersi nei buchi neri, oggetto principale del suo lavoro, formatisi durante il big bang.

Un nuovo studio condotto da ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha riportato la teoria alla luce dei riflettori, rivelando di cosa erano fatti questi buchi neri primordiali e scoprendo potenzialmente un tipo completamente nuovo di buco nero esotico nel processo: “È stata davvero una meravigliosa sorpresa in questo modo“, ha detto David Kaiser, uno degli autori dello studio.

Stavamo utilizzando i famosi calcoli di Stephen Hawking sui buchi neri, in particolare il suo importante risultato sulla radiazione emessa dai buchi neri”, ha detto Kaiser: “Questi buchi neri esotici emergono dal tentativo di affrontare il problema della materia oscura: ne sono un sottoprodotto della spiegazione”.

Gli scienziati hanno fatto molte ipotesi su cosa potrebbe essere la materia oscura, spaziando da particelle sconosciute a dimensioni extra, ma la teoria dei buchi neri di Hawking è entrata in gioco solo di recente.

La gente non lo prendeva davvero sul serio fino a circa 10 anni fa“, ha detto la coautrice dello studio Elba Alonso-Monsalve, ricercatrice  del MIT: “E questo perché i buchi neri una volta sembravano davvero sfuggenti: all’inizio del XX secolo, la gente pensava che fossero solo un fatto matematico, niente di fisico“.

Ora sappiamo che quasi ogni galassia ha un buco nero al centro, e la scoperta dei ricercatori delle onde gravitazionali di Einstein create dalla collisione di buchi neri nel 2015, una scoperta fondamentale, ha reso chiaro che sono ovunque.

In realtà, l’Universo pullula di buchi neri”, ha detto Alonso-Monsalve: “Ma la particella di materia oscura non è stata trovata, anche se le persone hanno cercato in tutti i luoghi in cui si aspettavano di trovarla. Questo non vuol dire che essa non sia una particella, o che si tratti sicuramente di buchi neri. Potrebbe essere una combinazione di entrambi. Ma ora i buchi neri come candidati vengono presi molto più sul serio”.

Materia oscura

Altri studi recenti hanno confermato la validità dell’ipotesi di Hawking, ma il lavoro di Alonso-Monsalve e Kaiser, Professore di fisica e di Storia della scienza a Germeshausen al MIT, fa un ulteriore passo avanti ed esamina esattamente cosa accadde quando il nero primordiale buchi formatisi per primi.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, ha rivelato che questi buchi neri devono essere comparsi nel primo quintilionesimo di secondo del big bang: “È davvero presto, e molto prima del momento in cui protoni e neutroni, si sono formate le particelle di cui tutto è fatto”, ha detto Alonso-Monsalve.

Nel nostro mondo quotidiano non possiamo trovare protoni e neutroni spezzati, ha aggiunto, e agiscono come particelle elementari. Sappiamo però che non lo sono, perché sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate quark, unite tra loro da altre particelle chiamate gluoni.

Non è possibile trovare quark e gluoni soli e liberi nell’Universo adesso, perché fa troppo freddo“, ha aggiunto Alonso-Monsalve: “Ma all’inizio del big bang, quando faceva molto caldo, potevano essere trovati soli e liberi. Quindi i buchi neri primordiali si formarono assorbendo quark e gluoni liberi”.

Una tale formazione li renderebbe fondamentalmente diversi dai buchi neri astrofisici che gli scienziati normalmente osservano nell’Universo, che sono il risultato del collasso delle stelle. Inoltre, un buco nero primordiale sarebbe molto più piccolo: solo la massa di un asteroide, in media, condensata nel volume di un singolo atomo. Ma se un numero sufficiente di questi buchi neri primordiali non evaporasse all’inizio del Big Bang e sopravvivesse fino ai giorni nostri, potrebbero spiegare tutta o la maggior parte della materia oscura.

Secondo la ricerca, durante la formazione dei buchi neri primordiali, deve essersi formato un altro tipo di buco nero mai visto prima, come una sorta di sottoprodotto. Questi sarebbero stati ancora più piccoli: appena la massa di un rinoceronte, condensata in un volume inferiore a quello di un singolo protone.

Questi piccoli buchi neri, a causa delle loro piccole dimensioni, sarebbero stati in grado di acquisire una proprietà rara ed esotica dalla zuppa di quark e gluoni in cui si formavano, chiamata “carica di colore”. È uno stato di carica esclusivo dei quark e dei gluoni, mai riscontrato negli oggetti ordinari, ha detto Kaiser.

Questa carica di colore li renderebbe unici tra i buchi neri, che di solito non hanno carica di alcun tipo: “È inevitabile che anche questi buchi neri ancora più piccoli si siano formati, come sottoprodotto (della formazione dei buchi neri primordiali)“, ha detto Alonso-Monsalve, “ma oggi non esisterebbero più, poiché sarebbero già evaporati”.

La "dimensione oscura", in cui i fisici cercano la materia mancante dell'universo, nuova teoria della gravità

Se si trovassero ancora a soli dieci milionesimi di secondo dall’inizio del Big Bang, quando si formarono protoni e neutroni, avrebbero potuto lasciare tracce osservabili alterando l’equilibrio tra i due tipi di particelle.

L’equilibrio tra quanti protoni e quanti neutroni furono prodotti è molto delicato e dipende da quali altre cose esistevano nell’Universo in quel momento. Se questi buchi neri con carica di colore fossero ancora in circolazione, avrebbero potuto spostare l’equilibrio tra protoni e neutroni (a favore dell’uno o dell’altro), quanto basta per poterlo misurare nei prossimi anni”, ha aggiunto.

La misurazione potrebbe provenire da telescopi terrestri o da strumenti sensibili sui satelliti in orbita, ha affermato Kaiser, na potrebbe esserci un altro modo per confermare l’esistenza di questi buchi neri esotici.

Creare una popolazione di buchi neri è un processo molto violento che provocherebbe enormi increspature nello spazio-tempo circostante. Questi verrebbero attenuati nel corso della storia cosmica, ma non fino a zero”, ha spiegato Kaiser: “La prossima generazione di rilevatori gravitazionali potrebbe intravedere i buchi neri di piccola massa, uno stato esotico della materia che era un sottoprodotto inaspettato dei buchi neri più banali che potrebbero spiegare la materia oscura oggi”.

Cosa significa questo per gli esperimenti in corso che stanno cercando di rilevare la materia oscura, come l’esperimento LZ Dark Matter nel South Dakota?

L’idea che esistano nuove particelle esotiche rimane un’ipotesi interessante“, ha aggiunto Kaiser: “Esistono altri tipi di grandi esperimenti, alcuni dei quali sono in costruzione, alla ricerca di modi fantasiosi per rilevare le onde gravitazionali. E questi infatti potrebbero captare alcuni dei segnali vaganti provenienti dal violentissimo processo di formazione dei buchi neri primordiali”.

C’è anche la possibilità che i buchi neri primordiali siano solo una frazione della materia oscura, ha aggiunto Alonso-Monsalve: “Non deve essere tutto uguale”, ha detto: “C’è cinque volte più materia oscura della materia normale, e la materia normale è formata da tutta una serie di particelle diverse. Allora perché la materia oscura dovrebbe essere un unico tipo di oggetto?”.

Conclusioni

Lo studio è interessante e propone un nuovo meccanismo di formazione per la prima generazione di buchi neri, ha affermato Priyamvada Natarajan, Professore di astronomia e fisica Joseph S. e Sophia S. Fruton alla Yale University.

Tutto l’idrogeno e l’elio che abbiamo oggi nel nostro Universo sono stati creati nei primi tre minuti, e se fino ad allora fossero stati presenti abbastanza buchi neri primordiali, avrebbero avuto un impatto su quel processo e quegli effetti potrebbero essere rilevabili”, ha detto Natarajan.

Materia oscura, presto saremo in grado di rilevarla

Il fatto che questa sia un’ipotesi verificabile osservativamente è quello che trovo davvero interessante, a parte il fatto che ciò suggerisce che la natura probabilmente crea buchi neri a partire dai tempi più remoti attraverso percorsi multipli“.

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