Quando si tratta di sospettare che i buchi neri primordiali siano materia oscura, la loro scusa potrebbe essere sul punto di crollare. Piccoli buchi neri, formatisi pochi secondi dopo la nascita dell'universo, potrebbero persistere più a lungo del previsto, sollevando nuovi sospetti che i buchi neri primordiali potrebbero essere responsabili della materia oscura, la sostanza più misteriosa dell'universo.
La materia oscura rappresenta attualmente uno dei problemi più urgenti della fisica. Questo perché, nonostante costituisca circa l'85% della materia presente nell'universo, la materia oscura rimane invisibile ai nostri occhi perché non interagisce con la luce.
Poiché le particelle che compongono gli atomi che compongono gli oggetti "ordinari" che possiamo vedere, come le stelle, i pianeti e il nostro stesso corpo, interagiscono chiaramente con la luce, ciò ha spinto a ricercare particelle di materia oscura al di fuori del modello standard delle particelle. fisica. Molti scienziati credono che la risposta risieda ancora nel Modello Standard, tuttavia, se guardiamo un cugino più piccolo degli oggetti cosmici, di solito li vediamo come estremamente massicci, persino mostruosi: i buchi neri.
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Scienziato dell'Istituto Max Planck Valentino Thos E Anna Fernández Alexander Due ricercatori dell'Università di Lisbona hanno recentemente partecipato a tali studi. Essi ipotizzano che piccoli buchi neri sorti più di 13,8 miliardi di anni fa, immediatamente dopo il Big Bang, e non più grandi di un protone, potrebbero essersi coalizzati nella sospetta materia oscura senza la necessità di nuova fisica.
Non solo il recente cambiamento di mentalità riguardo al modo in cui i buchi neri "evaporano" ha portato a una rivalutazione della vitalità dei buchi neri primordiali come sospetta materia oscura, ma poiché la ricerca di particelle di materia oscura continua a lasciare per lo più un vuoto, potrebbe iniziare a… Altri ricercatori stanno esaminando più seriamente la teoria della materia oscura del buco nero primordiale.
Cosa sono i buchi neri primordiali?
"Come suggerisce il nome, i buchi neri primordiali sono un tipo di buco nero che si è formato all'inizio dell'universo", ha detto Thos a Space.com. "Nella prima frazione di secondo dell'universo, in realtà."
Ha spiegato che tutte le strutture che osserviamo nell'universo, dai superammassi di galassie alle galassie al loro interno, sono formate da un leggero eccesso di densità nello spazio che era presente all'inizio dell'universo. Se l'universo primordiale avesse sperimentato fluttuazioni di densità molto più forti di quelle che hanno creato queste caratteristiche, e queste fluttuazioni fossero collassate prima della formazione effettiva delle galassie, quelle macchie estremamente dense avrebbero potuto stimolare i buchi neri primordiali.
A seconda di quando si è verificato questo collasso e della sua dimensione, questi buchi neri primordiali avranno masse molto diverse, ha aggiunto Thos. I buchi neri primordiali considerati da Thos e Fernandez-Alexander come possibili candidati per la materia oscura avrebbero masse comprese tra poche tonnellate e mille tonnellate, per la precisione, che è inferiore alla massa di un pianeta e più nella categoria di un piccolo asteroide.
Dato che i buchi neri più piccoli che gli scienziati hanno scoperto finora, conosciuti come buchi neri di massa stellare, hanno masse equivalenti tra 3 e 50 volte la massa del Sole – che a sua volta è 2,2 volte 10 alla 27a potenza (22 seguito da 26). ). (Zero) tonnellate – Questi buchi neri primordiali sono incredibilmente piccoli.
Come i loro buchi neri più grandi che si sono formati dal collasso di stelle massicce o dalla fusione di buchi neri relativamente più piccoli, secondo Fernandez-Alexander, i buchi neri primordiali avrebbero un confine esterno che intrappola la luce chiamato orizzonte degli eventi. Il diametro di questo orizzonte è determinato dalla massa del buco nero, il che significa che in quei casi l'orizzonte degli eventi sarebbe incredibilmente piccolo. "Più piccolo del raggio di un protone", ha detto Fernandez-Alexander.
Piccoli buchi neri primordiali erano stati precedentemente esclusi come candidati alla materia oscura perché si pensa che tutti i buchi neri "perdano" un tipo di radiazione termica che fu ipotizzata per la prima volta da Stephen Hawking nel 1974 e in seguito chiamata "radiazione di Hawking".
Quanto più piccolo è il buco nero, tanto più velocemente la radiazione di Hawking può fuoriuscire e, quindi, tanto più velocemente deve evaporare. Ciò significa che se esistessero i buchi neri primordiali, gli esempi più piccoli non dovrebbero esistere oggi, ma la materia oscura chiaramente esiste.
"I buchi neri primordiali con le masse che Anna e io stiamo studiando ora erano precedentemente considerati improbabili perché si presumeva che fossero completamente evaporati a quest'ora nell'universo", ha detto Thos.
Tuttavia, un recente lavoro di György Dvali, un fisico teorico dell'Università di Monaco che ha collaborato con Thos e Fernandez-Alexander, ha suggerito che il processo di evaporazione ad un certo punto si interrompe. Ciò significa che i buchi neri primordiali con le masse considerate dagli scienziati potrebbero raggiungere uno stato quasi stazionario.
"Per ridurre la sua massa emettendo radiazione di Hawking, il buco nero deve riscrivere le sue informazioni, o qualcos'altro. E questo processo di riscrittura richiede tempo", ha spiegato Fernandez-Alexander. "Questo si chiama 'carico della memoria' perché quella memoria ora deve spostarsi su qualcos'altro, e questo rallenta il processo complessivo di evaporazione. Quindi è una sorta di stabilizzazione."
Questo "meccanismo di salvataggio" significa che i buchi neri primordiali sono tornati come potenziali candidati per la materia oscura!
Un segnale morto per la materia oscura?
Tuttavia, il fatto che oggi esistano buchi neri primordiali nell'universo non significa immediatamente che debbano essere considerati sospetti di materia oscura. In realtà, ci sono altre ragioni per collegare questi piccoli ipotetici buchi neri al misterioso contenuto di materia dell'universo.
Forse la connessione più ovvia è che la materia oscura non interagisce con la luce. La materia oscura non emette né riflette la luce, e l'orizzonte degli eventi che confina con tutti i buchi neri segna il punto in cui la velocità di fuga necessaria per attraversarlo supera la velocità della luce. Ciò significa che i buchi neri primordiali "intrappolerebbero" tutta la luce incidente, risultando in un'apparente mancanza di interazioni.
"Se sono abbastanza leggeri, allora da qualche parte intorno alla massa planetaria, i buchi neri primordiali si comportano come particelle di materia oscura per tutti gli scopi che ci interessano", ha detto Thos. "Nei modelli standard la materia oscura è 'senza collisioni', quindi le particelle di materia oscura non interagiscono tra loro al punto da influenzare l'universo".
Ha aggiunto che se i buchi neri primordiali fossero più leggeri delle masse planetarie, sarebbero, anche su scale temporali cosmiche, così piccoli che difficilmente entrerebbero in collisione. Questi buchi neri primordiali potrebbero combinarsi per creare gli effetti gravitazionali che attualmente attribuiamo alla materia oscura, come fornire un'influenza gravitazionale che impedisce alle galassie in rapida rotazione di essere spazzate via.
Tuttavia, se i buchi neri primordiali dovessero aggregarsi per tenere conto degli effetti della materia oscura, cosa impedirebbe a questi buchi neri di riunirsi e fondersi per formare buchi neri più grandi? Un mucchio di minuscoli buchi neri non diventerebbero alla fine solo un buco nero supermassiccio? Questo è stato studiato e la risposta è semplicemente: "No", ha detto Thos.
"Anche se si tiene conto dell'aggregazione, la scala temporale delle fusioni è così lunga che si fonderebbero solo in buchi neri molto massicci durante l'intera vita dell'universo", ha continuato.
Thos ha aggiunto che la bellezza dell'utilizzo dei buchi neri primordiali come spiegazione della materia oscura è che, a differenza del proporre un'ipotetica particella come l'asse per spiegare il puzzle, i buchi neri primordiali non richiedono un'estensione del modello standard della fisica delle particelle. La nostra migliore spiegazione dell'universo è su scala subatomica.
Tuttavia, sarebbe molto difficile confermare che i buchi neri primordiali siano materia oscura, se davvero spiegano questo fenomeno. Ancora una volta, la loro natura intrappolante la luce significa che sono effettivamente invisibili. Inoltre, a dimensioni così piccole, non hanno gli stessi massicci effetti gravitazionali dei loro fratelli stellari e supermassicci.
Anche allora, se venisse scoperto un gruppo di buchi neri primordiali, non esisterebbe un modo reale per distinguere tra tanti piccoli buchi neri e un grande buco nero.
Nonostante questa difficoltà, Thos e Fernandez-Alexander intendono rimanere nella coda dei buchi neri primordiali, almeno in teoria. Se le particelle candidate della materia oscura continuano a non emergere, forse la risposta è spingere più fisici a iniziare a guardare il recinto metaforico tra fisica delle particelle e cosmologia.
"Non posso dire che i buchi neri primordiali siano mai stati esclusi come candidati alla materia oscura, ma sono stati ignorati per un po'", ha detto Fernandez-Alexander. "Ora, dato che in realtà non abbiamo alcuna rilevazione di particelle di materia oscura, penso che stia diventando sempre più appropriato considerare questa opzione."