I fisici sostengono che i buchi neri del Big Bang potrebbero essere la materia oscura
I buchi neri sono come gli squali. Eleganti, semplici, più spaventosi nell'immaginario popolare di quanto si meritino e forse in agguato in luoghi profondi e oscuri tutt'intorno a noi.
La loro stessa oscurità rende difficile stimare quanti buchi neri abitano il cosmo e quanto sono grandi. Quindi è stata una vera sorpresa quando le prime onde gravitazionali hanno vibrato attraverso i rivelatori al Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel settembre 2015. In precedenza, i buchi neri di dimensioni stellari più grandi avevano raggiunto il massimo a circa 20 volte la massa del sole . Questi nuovi erano circa 30 masse solari ciascuno – non inconcepibile, ma strano. Inoltre, una volta che LIGO si è acceso e ha immediatamente iniziato a sentire questo tipo di oggetti fondersi tra loro, gli astrofisici si sono resi conto che dovevano esserci più buchi neri in agguato là fuori di quanto pensassero. Forse molto di più.
La scoperta di questi strani esemplari ha dato nuova vita a una vecchia idea, che negli ultimi anni era stata relegata ai margini. Sappiamo che le stelle morenti possono creare buchi neri. Ma forse i buchi neri sono nati anche durante il Big Bang stesso. Una popolazione nascosta di tali buchi neri "primordiali" potrebbe plausibilmente costituire la materia oscura, un pollice nascosto su scala cosmica. Dopo tutto, nessuna particella di materia oscura si è mostrata, nonostante decenni di ricerche. E se gli ingredienti di cui avevamo veramente bisogno, i buchi neri, fossero stati sotto il nostro naso per tutto il tempo?
"Sì, è stata un'idea folle", ha detto Marc Kamionkowski , cosmologo della Johns Hopkins University il cui gruppo è uscito con uno dei tanti documenti accattivanti che hanno esplorato la possibilità nel 2016. "Ma non era necessariamente più pazzo di ogni altra cosa altro."
Purtroppo, il flirt con i buchi neri primordiali si è inasprito nel 2017, dopo che un articolo di Yacine Ali-Haïmoud , un astrofisico della New York University che in precedenza era stato nell'ottimista team di Kamionkowski, ha esaminato come questo tipo di buco nero dovrebbe influenzare il tasso di rilevamento di LIGO. Ha calcolato che se l'universo del bambino avesse generato abbastanza buchi neri per tenere conto della materia oscura, nel tempo questi buchi neri si sarebbero stabiliti in coppie binarie, orbiterebbero l'un l'altro sempre più vicino e si fonderebbero a velocità migliaia di volte superiori a quelle osservate da LIGO. Ha esortato altri ricercatori a continuare a indagare sull'idea utilizzando approcci alternativi. Ma molti hanno perso la speranza. L'argomento era così schiacciante che Kamionkowski ha detto che ha spento il suo stesso interesse per l'ipotesi.
Ora, tuttavia, a seguito di una raffica di documenti recenti, l'idea primordiale del buco nero sembra essere tornata in vita. In uno degli ultimi, pubblicato la scorsa settimana sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , Karsten Jedamzik , cosmologo dell'Università di Montpellier, ha mostrato come una vasta popolazione di buchi neri primordiali potrebbe provocare collisioni che corrispondono perfettamente a ciò che LIGO osserva. "Se i suoi risultati sono corretti – e sembra essere un calcolo accurato che ha fatto – questo metterebbe l'ultimo chiodo nella bara del nostro calcolo", ha detto Ali-Haïmoud, che ha continuato a giocare con l'idea primordiale del buco nero in anche documenti successivi. "Significherebbe che in realtà potrebbero essere tutta la materia oscura."
"È emozionante", ha detto Christian Byrnes , cosmologo dell'Università del Sussex che ha contribuito a ispirare alcuni degli argomenti di Jedamzik. "È andato più in là di chiunque altro."
L' idea originale risale agli anni '70 con il lavoro di Stephen Hawking e Bernard Carr . Hawking e Carr hanno ipotizzato che nelle prime frazioni di secondo dell'universo, piccole fluttuazioni nella sua densità avrebbero potuto dotare regioni fortunate – o sfortunate – con troppa massa. Ciascuna di queste regioni collasserebbe in un buco nero. La dimensione del buco nero sarebbe dettata dall'orizzonte della regione, il pezzo di spazio intorno a qualsiasi punto raggiungibile alla velocità della luce. Qualsiasi materia all'interno dell'orizzonte sentirebbe la gravità del buco nero e vi cadrebbe dentro. I calcoli approssimativi di Hawking hanno mostrato che se i buchi neri fossero più grandi di piccoli asteroidi, potrebbero ancora essere in agguato nell'universo oggi.
Negli anni '90 sono stati compiuti ulteriori progressi. A quel punto, i teorici avevano anche la teoria dell'inflazione cosmica, secondo la quale l'universo ha sperimentato un'esplosione di estrema espansione subito dopo il Big Bang. L'inflazione potrebbe spiegare da dove sarebbero derivate le fluttuazioni iniziali della densità.
Oltre a queste fluttuazioni di densità, i fisici hanno anche considerato una transizione chiave che avrebbe portato a termine il collasso.
Quando l'universo era nuovo, tutta la sua materia ed energia ribolliva in un plasma incredibilmente caldo. Dopo il primo centomillesimo di secondo circa, l'universo si è raffreddato un po 'ei quark sciolti e i gluoni del plasma potevano legarsi insieme in particelle più pesanti. Con alcune delle particelle fulminee ora legate insieme, la pressione è diminuita. Ciò potrebbe aver aiutato più regioni a collassare in buchi neri.
Ma negli anni '90 nessuno capiva la fisica di un fluido di quark e gluoni abbastanza bene da fare previsioni precise su come questa transizione avrebbe influenzato la produzione di buchi neri. I teorici non potrebbero dire quanto dovrebbero essere massicci i buchi neri primordiali, o quanti aspettarsene.
Inoltre, i cosmologi non sembravano aver bisogno di buchi neri primordiali. I rilievi astronomici hanno scansionato macchie di cielo sperando di trovare un mare di oggetti densi e scuri come i buchi neri che galleggiano alla periferia della Via Lattea, ma non ne hanno trovati molti. Invece, la maggior parte dei cosmologi è arrivata a credere che la materia oscura fosse composta da particelle ultra timide chiamate WIMP. E si sperava che i rilevatori WIMP appositamente costruiti o l'imminente Large Hadron Collider avrebbero presto trovato prove concrete di loro.
Con il problema della materia oscura in procinto di avvolgersi con un arco e nessuna osservazione che suggerisce il contrario, i buchi neri primordiali sono diventati un ristagno accademico. "Un cosmologo anziano mi ha ridicolizzato per aver lavorato su questo", ha detto Jedamzik, che fa risalire il proprio interesse agli anni '90. "Quindi l'ho interrotto, perché avevo bisogno di una posizione permanente."
Ovviamente nei decenni successivi non sono state trovate WIMP, né nuove particelle (tranne il bosone di Higgs a lungo previsto). La materia oscura rimane oscura.
Eppure oggi si sa molto di più sull'ambiente che avrebbe potuto generare buchi neri primordiali. I fisici possono ora calcolare come la pressione e la densità si sarebbero evolute dal plasma di quark e gluoni all'inizio dell'universo. "La comunità ha impiegato davvero decenni per risolvere questo problema", ha detto Byrnes. Con queste informazioni in mano, teorici come Byrnes e Juan García-Bellido dell'Università Autonoma di Madrid hanno trascorso gli ultimi anni a pubblicare studi che prevedono che l'universo primordiale avrebbe potuto generare non solo una dimensione di buco nero, ma una serie di essi .
In primo luogo, i quark e i gluoni sono stati incollati insieme in protoni e neutroni. Ciò ha causato una caduta di pressione e potrebbe aver generato una serie di buchi neri primordiali. Mentre l'universo continuava a raffreddarsi, si formarono particelle come i pioni, creando un altro tuffo di pressione e la possibile esplosione del buco nero.
Tra queste epoche, lo spazio stesso si espanse. I primi buchi neri potrebbero aspirare circa una massa solare di materiale dall'orizzonte intorno a se stessi. Il secondo round potrebbe afferrare forse il valore di circa 30 masse solari, proprio come gli strani oggetti visti per la prima volta da LIGO. "Le onde gravitazionali sono venute in nostro soccorso", ha detto García-Bellido.
A ll'interno settimane del primo annuncio di onde gravitazionali da LIGO nel 2016, il buco nero primordiale ipotesi ruggì di nuovo a vita. Ma l'anno successivo, Ali-Haïmoud ha affermato che i buchi neri primordiali si sarebbero scontrati troppo spesso, il che ha dato ai sostenitori un grosso ostacolo da superare.
Jedamzik ha raccolto la sfida. Durante una lunga vacanza in Costa Rica, ha seguito la discussione di Ali-Haïmoud. Ali-Haïmoud aveva svolto il suo lavoro in modo analitico, attraverso le equazioni. Ma quando Jedamzik ha creato simulazioni numeriche dello stesso problema, ha trovato una svolta.
I buchi neri primordiali formerebbero davvero dei binari. Ma Jedamzik ha concluso che in un universo brulicante di buchi neri, un terzo buco nero si avvicinava spesso alla coppia iniziale e cambiava posto con uno di essi. Questo processo si sarebbe ripetuto ancora e ancora.
Nel tempo, questo oscillare da partner a partner lascerebbe buchi neri binari con orbite quasi circolari. Questi partner sarebbero incredibilmente lenti a scontrarsi. Anche un'enorme popolazione di buchi neri primordiali si fonderebbe così di rado che l'intera ipotesi rientrerebbe comunque nel tasso di fusione osservato di LIGO.
Ha pubblicato il suo lavoro online questo giugno, rispondendo alle domande di esperti esterni come lo stesso Ali-Haïmoud. "Era molto importante convincere la comunità, per quanto possibile, che non stai solo dicendo delle sciocchezze", ha detto Jedamzik, usando un termine più energico di "nonsense".
Ha anche costruito su un lavoro che prevedeva che i buchi neri primordiali si sarebbero seduti in ammassi scuri di diametro grande circa quanto la distanza tra il sole e la stella più vicina. Ciascuno di questi cluster potrebbe contenere circa un migliaio di buchi neri stipati insieme. I behemoth di 30 masse solari si sarebbero seduti al centro; quelli più piccoli più comuni riempirebbero il resto dello spazio. Questi ammassi si nascondono ovunque gli astronomi pensano che sia la materia oscura. Come con le stelle in una galassia o con i pianeti che circondano il sole, il movimento orbitale di ogni buco nero gli impedirebbe di divorarne un altro, tranne durante quelle fusioni non comuni.
In un secondo articolo , Jedamzik ha calcolato esattamente quanto dovrebbero essere rare queste fusioni. Ha fatto i calcoli per i grandi buchi neri che LIGO ha osservato, e per quelli più piccoli, che non ha. (Piccoli buchi neri avrebbero prodotto segnali deboli e acuti e avrebbero dovuto essere vicini per essere rilevati.) "Ero, ovviamente, sbalordito nel vedere che uno dopo l'altro ho ottenuto il giusto tasso", ha detto.
I vocati dell'ipotesi del buco nero primordiale hanno ancora molto da convincere. La maggior parte dei fisici crede ancora che la materia oscura sia composta da una specie di particella elementare, diabolicamente difficile da rilevare. Inoltre, i buchi neri LIGO non sono molto diversi da quello che ci aspetteremmo se provenissero da stelle normali. "In un certo senso riempie un buco nella teoria che in realtà non c'è", ha detto Carl Rodriguez , astrofisico alla Carnegie Mellon University. "Ci sono cose che sono strane su alcune delle fonti LIGO , ma possiamo spiegare tutto ciò che abbiamo visto finora attraverso il normale processo evolutivo stellare."
Selma de Mink , astrofisica dell'Università di Harvard che ha abbozzato teorie su come le stelle da sole possano produrre i binari binari pesanti dei buchi neri visti da LIGO, è più schietta: "Penso che gli astronomi possano riderci un po '".
Trovare un solo buco nero di massa sub-solare – che dovrebbe essere comune, secondo lo scenario primordiale del buco nero, e che non può formarsi dalle stelle – trasformerebbe l'intero dibattito. E con ogni successiva corsa di osservazione, LIGO ha aumentato la sua sensibilità, permettendogli di trovare alla fine buchi neri così piccoli o di stabilire limiti rigorosi su quanti possono esistere. "Questa non è una di queste storie come la teoria delle stringhe, dove tra un decennio o tre decenni potremmo ancora discutere se è corretto", ha detto Byrnes.
Nel frattempo, altri astrofisici stanno sondando diversi aspetti della teoria. Ad esempio, forse i vincoli più forti sui buchi neri primordiali provengono dalle ricerche di microlenti, quelle stesse indagini iniziate negli anni '90. In questi sforzi, gli astronomi monitorano sorgenti luminose ma distanti, in attesa di vedere se un oggetto scuro passa davanti a loro. Queste ricerche hanno da tempo escluso una popolazione uniformemente dispersa di piccoli buchi neri.
Ma se i buchi neri primordiali esistono in una gamma di masse e se sono raggruppati in cluster densi e massicci, quei risultati potrebbero essere meno significativi di quanto pensassero i ricercatori, ha detto García-Bellido.
Le prossime osservazioni potrebbero eventualmente risolvere anche questa questione. L'Agenzia spaziale europea ha recentemente accettato di contribuire con una caratteristica extra chiave al prossimo Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA , che le consentirebbe di fare studi innovativi di microlensing.
L'aggiunta è avvenuta per volere di Günther Hasinger , direttore scientifico dell'ESA, che ha sostenuto che i buchi neri primordiali potrebbero spiegare molteplici misteri. Per Hasinger, l'idea è allettante perché non richiama nuove particelle o nuove teorie fisiche. Ripropone solo vecchi elementi.
"Credo che forse alcuni degli enigmi che sono ancora là fuori potrebbero effettivamente risolversi da soli", ha detto, "quando guardi con occhi diversi".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/black-holes-from-the-big-bang-could-be-the-dark-matter-20200923/ in data Wed, 23 Sep 2020 13:55:43 +0000.