Di Elizabeth Quill

Una popolazione sconosciuta di antichi buchi neri potrebbe essere in agguato in tutto l’universo. Questi pozzi cosmici senza fondo avrebbero molto in comune con i buchi neri più familiari; In alcuni casi, i due possono essere indistinguibili. Ma a differenza dei loro simili, questi buchi neri non scoperti non si sarebbero formati da una stella massiccia che collassa su se stessa, né sarebbero stati pari ai buchi neri supermassicci che si nutrono al centro delle galassie.

Invece, questi buchi neri sarebbero nati nelle prime epoche dopo il Big Bang, prima ancora che apparissero stelle e galassie.

Chiamati buchi neri primordiali, questi ipotetici oggetti hanno attirato l’interesse fin dagli anni ’60. Stephen Hawking ha scritto uno dei primi articoli sulla loro potenziale esistenza. Solo pochi anni dopo, la sua indagine sui buchi neri primordiali lo portò forse alla sua idea più famosa, che i buchi neri perdono energia – ora chiamata radiazione di Hawking – in un modo che li priva lentamente della loro massa.

Ora, dopo decenni di riflessione sui buchi neri primordiali, gli scienziati sembrano sinceramente ottimisti sulla possibilità di rilevarli. C’è stata un’ondata di interesse in questo campo. I ricercatori che non conoscono i buchi neri primordiali stanno collaborando con ricercatori di lunga data per individuare i dati che potrebbero dimostrare l’esistenza di questi buchi neri. Se indugiassero in tutto l’universo, emetterebbero radiazioni di Hawking, piegherebbero la luce delle stelle, si scontrerebbero con altri oggetti cosmici e tra loro, forse anche divorando stelle dall’interno verso l’esterno.

In altre parole, modellerebbero il cosmo in modi osservabili.

Nel 2023, un team che include il cosmologo Bernard Carr, coautore di un primo articolo fondamentale con Hawking sull’argomento, ha delineato più di 20 linee di prova che potrebbero supportare l’esistenza di buchi neri primordiali. In una recente revisione storica, Carr ha previsto che avremo una risposta entro il prossimo decennio.

“Scommetterei, diciamo, il 70 per cento – forse il 60 o il 70 per cento – che esistono”, dice Carr, professore emerito alla Queen Mary University di Londra. “E questo è in parte un pio desiderio perché preferisco che esistano, ma è qualcosa che sta cercando di essere obiettivo”.

Se i buchi neri primordiali sono là fuori, potrebbero aiutare a risolvere uno dei più grandi misteri della cosmologia: cos’è la materia oscura? Questa sostanza sfuggente è sei volte più abbondante di tutte le cose ordinarie con cui abbiamo familiarità, dalle persone ai pianeti ai pickleball. La sua influenza gravitazionale è accreditata per tenere insieme le galassie e impalcare tutta la sostanza cosmica che possiamo vedere. Ma nonostante decenni di ricerche, nessuno sa ancora di cosa si tratti.

I buchi neri primordiali potrebbero spiegare parte della materia oscura là fuori. Alcuni ricercatori ritengono che questi buchi neri possano spiegare tutto questo. Ma la loro esistenza non è scontata. La loro formazione richiede nuova fisica, sottolineano alcuni critici. Tra i ricercatori che ora studiano questi buchi neri ci sono veri credenti, quelli che sperano di confutare l’idea e tutti quelli che stanno nel mezzo.

“Ci sono sicuramente più persone che sono entusiaste ora”, dice Anne Green, fisica astroparticellare dell’Università di Nottingham in Inghilterra, coautrice della revisione storica con Carr, ma che si considera agnostica sulla questione dell’esistenza. “E probabilmente è che c’è più motivo di eccitazione”.

Buchi neri ovunque

La recente impennata di interesse fa risalire le sue origini al 2016. Quell’anno, gli scienziati riferirono che le onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo previste dalla teoria della relatività generale di Einstein, erano state rilevate da una coppia di buchi neri in fusione. La scoperta, premiata con il premio Nobel per la fisica l’anno successivo, aprì una nuova finestra sui buchi neri.

“Una volta che abbiamo saputo che potevamo osservare direttamente le fusioni di buchi neri con le onde gravitazionali, questa è diventata una sonda”, dice il cosmologo Will Kinney dell’Università di Buffalo a New York. “Ogni volta che crei un nuovo strumento, un nuovo modo di osservare l’universo, inizi a porre domande in modo diverso”. Dice che l’attuale interesse per i buchi neri primordiali è un buon esempio di ciò.

Fino a quando i dati delle onde gravitazionali non hanno iniziato ad arrivare, c’erano due tipi di buchi neri noti per esistere in abbondanza. I primi, i buchi neri “stellari”, si formano quando una stella molto massiccia esaurisce il carburante e il suo nucleo collassa su se stesso. Questi buchi neri hanno generalmente masse comprese tra cinque e 10 volte la massa del Sole, e talvolta fino a 20 volte o più.

Il secondo tipo abbondante, i buchi neri supermassicci, si trova al centro delle galassie e può pesare miliardi di volte la massa del Sole. Forse questi si sono formati all’inizio della storia galattica dal collasso diretto del gas, o attraverso successive fusioni di buchi neri stellari. In entrambi i casi, crescevano man mano che si nutrivano di qualsiasi cosa incontrassero.

Ma quando l’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o LIGO, ha segnalato la collisione dei primi buchi neri nel 2016, gli oggetti erano più massicci di quanto molti si aspettassero, con ognuno dei due che pesava fino a 30 soli.

Simeon Bird, all’epoca cosmologo della Johns Hopkins University, ricorda di essersi interrogato sulle masse con il suo consulente poco prima che i risultati diventassero pubblici. Perché le prime rilevazioni di LIGO sarebbero di quelli che si pensa siano buchi neri relativamente rari piuttosto che qualcosa di più comune?

“Forse è un buco nero primordiale”, ricorda Bird dicendo con una risata. “Che idea sciocca.” Ma quell’idea, apparentemente sciocca, si è rapidamente trasformata in un articolo che sostiene che LIGO potrebbe aver rilevato la materia oscura sotto forma di buchi neri primordiali. I rapporti di altre squadre indicavano la stessa possibilità. Negli anni successivi, LIGO negli Stati Uniti è stato affiancato da Virgo in Italia e KAGRA in Giappone. Finora, la collaborazione ha rilevato più di 80 fusioni di buchi neri.

Oltre alle sorprendenti masse dei buchi neri su cui Bird e altri si sono interrogati, alcuni scienziati sono incuriositi dalla lentezza delle rotazioni dei buchi neri, dal numero di fusioni tra buchi neri di masse drammaticamente diverse e dalla frequenza con cui i buchi neri sembrano fondersi nel corso del tempo cosmico.

“Ci sono molte proprietà che sono bizzarre”, dice Sébastien Clesse, cosmologo dell’Université Libre de Bruxelles in Belgio. I buchi neri primordiali potrebbero aiutare a spiegare i risultati inaspettati.

Creare un buco nero primordiale

Nella più piccola delle più piccole frazioni di secondo dopo il Big Bang, quando l’universo non era altro che una palla calda e compatta di energia, gli scienziati ritengono che si sia espansa in modo esponenziale, crescendo di un fattore di almeno 10²⁵ in meno di un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo, un periodo noto come inflazione. Durante questo periodo, le fluttuazioni quantistiche avrebbero generato cambiamenti estremi nella densità di energia. Alcune tasche potrebbero essere diventate così dense da poter collassare su se stesse, facendo scoppiare buchi neri primordiali.

Questa è solo un’immagine che i ricercatori hanno elaborato per spiegare come i buchi neri primordiali potrebbero essersi formati subito dopo il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa. Ci sono altri meccanismi proposti nei primi momenti dell’universo, tra cui anelli di corde cosmiche o bolle in collisione.

“L’unico ingrediente di cui si ha veramente bisogno è una grande densità di energia”, afferma il fisico teorico Florian Kühnel dell’Istituto Max Planck di fisica di Monaco.

Non importa come e quando si siano formati questi buchi neri primordiali, però, sarebbero apparsi in una gamma di masse molto più diversificata di quella che vediamo oggi. Ci sarebbero buchi neri con la massa di uno gnu (un paio di centinaia di chilogrammi), così come quelli con la massa del Monte Everest (da decine a centinaia di trilioni di chilogrammi). I buchi neri con masse all’incirca pari a quelle degli asteroidi sarebbero ancora microscopici. E ci sarebbero buchi neri con masse di pianeti e stelle, forse fino a oltre un milione di masse solari.

Alcuni di questi buchi neri primordiali potrebbero spiegare i risultati inaspettati delle onde gravitazionali, sostengono Carr, Clesse, Kühnel e Juan García-Bellido dell’Universidad Autónoma de Madrid in un articolo del 2021 su Physics of the Dark Universe.

Il più grande dei buchi neri primordiali potrebbe risolvere un’altra questione aperta: come i buchi neri supermassicci, in particolare quelli rilevati all’inizio dell’universo, possano essere cresciuti così tanto in fretta. Clesse e García-Bellido hanno suggerito già nel 2015 che se i buchi neri primordiali esistessero, potrebbero essere serviti come semi per quelli supermassicci di oggi.

Il documento del 2021 delinea un quadro plausibile, afferma Bird, ora all’Università della California, Riverside. Ma un’astrofisica più ordinaria può ancora spiegare le sconcertanti osservazioni dei buchi neri.

Parte della sfida è che gli scienziati non sanno abbastanza sui buchi neri in generale. Non c’è ancora un quadro chiaro di come sono distribuiti, quanto comunemente si fondono o come l’ambiente circostante influenza l’alimentazione, la crescita o l’evaporazione a causa della radiazione di Hawking. Studiare la fisica dei buchi neri circondati da gas e polvere, come nell’universo, è complicato. Molti modelli semplicemente non tengono conto di questo.

“Abbiamo teoremi stupendi che hanno giustamente fatto guadagnare ai nostri colleghi il premio Nobel”, dice David Kaiser, fisico e storico della scienza al MIT, “e questi risultati sono quasi interamente lo studio dei buchi neri e nient’altro, parlando in modo approssimativo”.

Rilevamento dei buchi neri primordiali

Nonostante tutto ciò che non si sa, ci sono due osservazioni che la maggior parte degli scienziati concorda sul fatto che indicherebbero definitivamente un buco nero primordiale, e gran parte dell’entusiasmo recente riguarda il modo in cui individuare tali segni.

Il primo sarebbe un buco nero rilevato prima della formazione delle prime stelle, forse entro i primi cento milioni di anni dopo il Big Bang. Dal momento che non può essersi formata da stelle, deve essere primordiale, si pensa. I rilevatori di onde gravitazionali esistenti non possono guardare così lontano, ma quelli futuri potrebbero. L’osservatorio spaziale per le onde gravitazionali LISA, il cui lancio è previsto per il 2030, e il telescopio Einstein e il Cosmic Explorer, entrambi in fase di pianificazione, potrebbero raggiungere quest’epoca ultra-antica.

Il secondo possibile segno certo, che potrebbe forse essere trovato con gli osservatori esistenti, sarebbe un buco nero della massa del sole o meno. Questo sarebbe difficile da capire attraverso i tipici meccanismi di formazione, lasciando i buchi neri primordiali come spiegazione più plausibile.

García-Bellido sta guidando un gruppo alla ricerca di questi buchi neri negli attuali dati delle onde gravitazionali, e il team sta già studiando alcuni candidati.

“Se LIGO trovasse un buco nero di una massa solare, allora tutti sarebbero convinti che i buchi neri primordiali siano reali”, concorda l’astrofisico stellare Earl Bellinger dell’Università di Yale. Dice che non riesce a pensare a nessun altro processo ragionevole che possa produrre quella massa.

“E se è inferiore a una massa solare, ancora meglio”.

Il telescopio Einstein e il Cosmic Explorer darebbero impulso alla ricerca di buchi neri con una massa pari o inferiore a quella del Sole. E alcuni team stanno osservando tipi radicalmente diversi di rivelatori che cercherebbero le onde gravitazionali provenienti da buchi neri della massa di un pianeta, di un asteroide o meno.

Ma le onde gravitazionali potrebbero non essere l’unico modo per rilevare un buco nero di questo tipo. Alcuni ricercatori hanno altre idee.

Bellinger, ad esempio, ha recentemente posto la domanda: cosa accadrebbe se un piccolo buco nero primordiale si nascondesse all’interno di una stella? Molti eminenti fisici, tra cui Hawking, hanno già esplorato questa domanda. Ma non c’è una solida comprensione di quanto velocemente un buco nero con una massa simile alla luna o a un asteroide si alimenterebbe e crescerebbe all’interno di una stella, e quindi se la luce della stella sfuggirebbe all’attrazione del buco nero.

“Il buco nero ha questo buffet all-you-can-eat, che è il plasma stellare, e si potrebbe pensare che la stella ci cada dentro, cosa che potrebbe accadere”, dice Bellinger. “Ma se cade quasi ad angolo, ti aspetti che tutto intorno si surriscaldi. Se si riscalda, esercita una certa pressione e fuoriesce un po’ di luminosità”.

Bellinger, Kühnel e colleghi hanno deciso di studiare diversi scenari per stelle con buchi neri all’interno, soprannominate stelle di Hawking. Il team ha riportato i risultati nel dicembre 2023 sull’Astrophysical Journal.

“Lo scenario più divertente è se l’energia esce”, dice Bellinger. In tal caso, vedresti un tipo di gigante rossa nota come ritardataria rossa. Tali stelle (per le quali ci sono altre spiegazioni, forse più plausibili) sono state trovate in abbondanza nelle galassie nane vicino alla Via Lattea che si pensa siano dominate dalla materia oscura. Bellinger e colleghi osservano che gli studi su come oscilla l’intensità della luce proveniente da queste stelle potrebbero distinguere una stella di Hawking da una ritardataria rossa che si è formata in un altro modo, offrendo così la prova dei buchi neri primordiali.

E più vicino a casa? Nel settembre 2024, due diversi team di ricercatori hanno suggerito come potrebbe essere rilevato un buco nero primordiale che passa attraverso il nostro sistema solare. Clesse e altri hanno sostenuto che un buco nero della massa di un asteroide sarebbe abbastanza pesante da modificare le orbite dei satelliti, compresi quelli utilizzati per la navigazione GPS. L’altro team, che comprendeva Kaiser e colleghi del MIT, ha descritto come un buco nero così primordiale potrebbe interrompere l’orbita di Marte.

Kaiser e il fisico teorico Elba Alonso-Monsalve, anche lui del MIT, hanno persino suggerito che potrebbe esserci un modo per rilevare una popolazione scomparsa da tempo di buchi neri primordiali ultra-piccoli.

In un recente studio, il team ha studiato la formazione di buchi neri primordiali leggermente dopo l’inflazione, ma ancora solo intorno a 10⁻²⁰ pochi secondi dopo il Big Bang. A quel tempo, le particelle subatomiche note come quark e gluoni fluttuavano liberamente, non ancora legate a protoni e neutroni.

Quando i buchi neri si sono formati su una serie di masse, avrebbero inghiottito questi quark e gluoni, insieme a una proprietà quantistica chiamata carica di colore che le particelle possiedono. Per buchi neri abbastanza grandi, l’amalgama delle cariche di colore si annullerebbe, senza lasciare alcuna carica netta di colore. Ma questo non sarebbe vero per i buchi neri più miseri.

Tutti i buchi neri primordiali abbastanza piccoli da avere una carica di colore sarebbero evaporati a causa della radiazione di Hawking, ma potrebbero aver lasciato un biglietto da visita che gli scienziati possono cercare, hanno riferito Alonso-Monsalve e Kaiser a giugno su Physical Review Letters. Per fare solo un esempio, l’evaporazione dei buchi neri con carica di colore potrebbe aver influenzato i rapporti degli elementi leggeri idrogeno, elio e litio che si sono formati dal plasma dell’universo primordiale.

Se venissero scoperti chiari segni di buchi neri con carica di colore, indicherebbero l’esistenza di buchi neri primordiali più grandi senza carica di colore ancora in giro oggi. E sono i buchi neri primordiali di oggi che hanno il potenziale per risolvere la questione della materia oscura.