La ricerca dei micro buchi neri scomparsi, lasciati dal Big Bang, potrebbe essere sul punto di intensificarsi. Proprio quando sembrava che le indagini sulle loro tracce si fossero interrotte, un team internazionale di scienziati ha trovato indizi nella fisica quantistica che potrebbero riaprire il caso.
Micro buchi neri e materia oscura
Uno dei motivi per cui la ricerca dei cosiddetti micro buchi neri primordiali è così importante è che sono stati indicati come possibili candidati per la materia oscura.
La materia oscura costituisce l’85% della massa dell’Universo, ma non interagisce con la luce come fa la materia quotidiana. Questa è la materia composta da atomi che compongono le stelle, i pianeti, le lune e i nostri corpi. La materia oscura, tuttavia, interagisce con la gravità e questa interazione può influenzare la “materia ordinaria” e la luce.
Se i micro buchi neri indotti dal Big Bang fossero realmente rintracciabili, sarebbero assolutamente piccoli e alcuni potrebbero addirittura essere piccoli come una monetina, e quindi avrebbero masse pari a quelle degli asteroidi o dei pianeti.
L’orizzonte degli eventi
Come le loro controparti più grandi, i buchi neri di massa stellare, che possono avere masse da 10 a 100 volte quella del Sole, e i buchi neri supermassicci, che possono avere masse milioni o addirittura miliardi di volte quella del Sole, i micro buchi neri del pianeta primordiali sarebbero delimitati da una superficie che intrappola la luce chiamata “orizzonte degli eventi”.
L’orizzonte degli eventi impedisce ai buchi neri di emettere o riflettere la luce, rendendo i micro buchi neri primordiali un solido candidato per la materia oscura. Potrebbero essere abbastanza piccoli da passare inosservati, ma abbastanza forti da avere un impatto sullo Spazio.
Il team di scienziati del Centro di ricerca per l’Universo primordiale (RESCEU) e dell’Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell’universo (Kavli IPMU, WPI) dell’Università di Tokyo ha applicato un quadro teorico che combina la teoria dei campi classica, la teoria speciale di Einstein teoria della relatività e meccanica quantistica all’universo primordiale. Quest’ultimo spiega il comportamento di particelle come elettroni e quark e dà origine alla cosiddetta teoria quantistica dei campi (QFT).
L’applicazione della QFT al Cosmo neonato ha portato il team a credere che ci siano molti meno ipotetici micro buchi neri primordiali nell’Universo di quanto molti modelli attualmente si stimi. Se così fosse, si potrebbero escludere del tutto i micro buchi neri primordiali come sospetta la materia oscura.
“Li chiamiamo micro buchi neri primordiali e molti ricercatori ritengono che siano un forte candidato per la materia oscura, ma ce ne dovrebbero essere molti per soddisfare questa teoria“, ha detto Jason Kristiano, ricercatore dell’Università di Tokyo.
“Sono interessanti anche per altri motivi, poiché dopo la recente innovazione dell’astronomia delle onde gravitazionali, ci sono state scoperte di fusioni binarie di buchi neri, che possono essere spiegate se i buchi neri primordiali esistono in gran numero, ma nonostante queste forti ragioni per la loro attesa abbondanza, non ne abbiamo vista nessuna direttamente, e ora abbiamo un modello che dovrebbe spiegare perché è così”.
Mentre i buchi neri di massa stellare si sono formati dal collasso e dalla morte di stelle massicce, e i buchi neri supermassicci sono cresciuti dalle successive fusioni di buchi neri più piccoli, i micro buchi neri primordiali sono antecedenti alle stelle, quindi devono avere un’origine unica.
Alcuni scienziati ritengono che le condizioni nell’Universo primordiale, caldo e denso, fossero tali che porzioni più piccole di materia potessero collassare sotto la loro stessa gravità dando vita a questi micro buchi neri con orizzonti degli eventi non più larghi di un centesimo, o forse anche più piccoli di un protone, a seconda la loro massa.
Il team dietro questa ricerca ha già esaminato modelli di micro buchi neri primordiali nell’Universo primordiale, ma questi modelli non sono riusciti ad allinearsi con le osservazioni della CMB. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno applicato correzioni alla teoria principale della formazione del buco nero primordiale.
“All’inizio l’Universo era incredibilmente piccolo, molto più piccolo delle dimensioni di un singolo atomo. L’inflazione cosmica lo ha rapidamente ampliato di 25 ordini di grandezza”, ha detto il direttore di Kavli IPMU e RESCEU Jun’ichi Yokoyama: “A quel tempo, le onde che viaggiavano attraverso questo piccolo spazio avrebbero potuto avere ampiezze relativamente grandi ma lunghezze d’onda molto corte“.
Il team ha scoperto che queste onde piccole ma forti possono subire un’amplificazione per diventare onde molto più grandi e lunghe che gli astronomi vedono nell’attuale CMB. Il team ritiene che questa amplificazione sia il risultato della coerenza tra le prime onde corte, che può essere spiegata utilizzando la QFT.
“Mentre le singole onde corte sarebbero relativamente impotenti, gruppi coerenti avrebbero il potere di rimodellare onde molto più grandi di loro”, ha detto Yokoyama: “Questo è un raro esempio in cui una teoria di qualcosa ad una scala estrema sembra spiegare qualcosa all’estremità opposta della scala”.
Conclusioni
Se la teoria del team secondo cui le fluttuazioni precoci e su piccola scala dell’Universo possono crescere e influenzare le fluttuazioni su larga scala della CMB è corretta, questo avrà un impatto sul modo in cui le strutture sono cresciute nel Cosmo.
Misurare le fluttuazioni della CMB potrebbe aiutare a limitare la dimensione delle fluttuazioni originali nell’Universo primordiale. Questo, a sua volta, pone dei vincoli sui fenomeni che si basano su fluttuazioni più brevi, come i micro buchi neri primordiali.
“È opinione diffusa che il collasso delle lunghezze d’onda corte ma forti nell’Universo primordiale sia quello che ha creato i micro buchi neri primordiali“, ha detto Kristiano: “Il nostro studio ha indicato che dovrebbero esserci molti meno micro buchi neri primordiali di quanti sarebbero necessari se fossero davvero un forte candidato per la materia oscura o gli eventi di onde gravitazionali”.
I micro buchi neri primordiali sono fermamente ipotetici al momento. Questo perché la natura di intrappolamento della luce dei buchi neri di massa stellare rende difficili da vedere anche questi oggetti molto più grandi, quindi è difficile immaginare quanto sarebbe complicato individuare un buco nero con un orizzonte degli eventi delle dimensioni di un centesimo.
La chiave per individuare i buchi neri primordiali potrebbe non risiedere nell’“astronomia tradizionale”, ma piuttosto nella misurazione di minuscole increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali.
Sebbene gli attuali rilevatori di onde gravitazionali non siano abbastanza sensibili da rilevare le increspature nello spaziotempo dovute allo scontro di buchi neri primordiali, progetti futuri, come l‘ antenna spaziale interferometro laser (LISA) m, che porterà il rilevamento delle onde gravitazionali nello Spazio.
Questo potrebbe contribuire a confermare o respingere la teoria del team, avvicinando gli scienziati alla conferma se i micro buchi neri primordiali possano spiegare la materia oscura.
La ricerca del team è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.
