La settimana dei buchi neri è in pieno svolgimento e, per festeggiare, la NASA ha spiegato come il suo prossimo grande strumento astronomico, il Nancy Grace Roman Space Telescope, andrà a caccia di minuscoli buchi neri che risalgono al Big Bang.
Quando pensiamo a buchi neri, tendiamo a immaginare vasti mostri cosmici come buchi neri di massa stellare con masse da decine a centinaia di volte quella del sole. Potremmo persino immaginare buchi neri supermassicci con masse milioni (o addirittura miliardi) di volte superiori a quelle del Sole che si trovano nel cuore delle galassie e dominano i loro dintorni.
Tuttavia, gli scienziati teorizzano che l’universo potrebbe anche essere popolato da buchi neri molto meno massicci, relativamente leggeri, con masse pari a quelle della Terra. Questi buchi neri, potenzialmente, potrebbero avere masse pari a quelle di un grande asteroide. Gli scienziati suggeriscono anche che tali buchi neri sarebbero esistiti fin dall’alba dei tempi, circa 13,8 miliardi di anni fa.
Chiamati giustamente “buchi neri primordiali”, questi buchi neri sono rimasti puramente teorici, ma Roman, il cui lancio è previsto per la fine del 2026, potrebbe cambiare la situazione.
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“Rilevare una popolazione di buchi neri primordiali di massa terrestre sarebbe un passo incredibile sia per l’astronomia che per la fisica delle particelle perché questi oggetti non possono essere formati da nessun processo fisico conosciuto”, William DeRocco, ricercatore post-dottorato presso l’Università della California a Santa Cruz che ha guidato un team che studiava come i Romani potessero rivelare questi antichi minuscoli buchi neri, ha detto in una dichiarazione: “Se li troviamo, ciò sconvolgerà il campo della fisica teorica”.
Quando si tratta di orizzonti degli eventi, la massa conta
I buchi neri più piccoli mai confermati esistenti sono buchi neri di massa stellare, che si creano quando le stelle massicce esauriscono il carburante necessario per la fusione nucleare nei loro nuclei. Una volta cessata tale fusione, queste stelle collassano sotto l’influenza della loro stessa gravità. In genere, la massa minima di cui una stella ha bisogno per lasciarsi dietro un buco nero di massa stellare è otto volte quella del Sole – qualsiasi massa più leggera, e una stella finirà la sua vita come una stella di neutroni o una nana bianca fumante.
Tuttavia, le condizioni dell’universo al suo esordio erano molto diverse da quelle dell’epoca moderna. Quando il cosmo era in uno stato caldo, denso e turbolento, potrebbe aver consentito il collasso di conglomerati di materia molto più piccoli e la nascita di buchi neri.
Tutti i buchi neri “iniziano” in un confine esterno chiamato “orizzonte degli eventi”, il punto oltre il quale nemmeno la luce può sfuggire alle loro influenze gravitazionali. La distanza dell’orizzonte degli eventi dalla singolarità centrale del buco nero, il punto infinitamente denso in cui tutte le leggi della fisica vengono meno, è determinata dalla massa del buco nero.
Ciò significa che, mentre l’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio M87*, che ha una massa di circa 2,4 miliardi di volte quella del Sole, ha un diametro di circa 15,4 miliardi di miglia (24,8 miliardi di chilometri), un buco nero di massa stellare con la massa di 30 soli avrebbe un orizzonte degli eventi largo appena circa 110 miglia (177 chilometri). Un buco nero primordiale di massa terrestre, d’altro canto, avrebbe un orizzonte degli eventi non più largo di una monetina. Un buco nero primordiale con la massa di un asteroide avrebbe un orizzonte degli eventi con una larghezza più piccolo di un protone.
Gli scienziati che sostengono il concetto dei buchi neri primordiali pensano che sarebbero nati quando l’universo subì un periodo di inflazione iniziale che abbiamo chiamato Big Bang. Mentre il cosmo correva a una velocità superiore a quella della luce (questo è possibile perché sebbene nulla possa muoversi più velocemente della luce nello spazio, lo spazio stesso può farlo), gli scienziati suggeriscono che regioni più dense di quelle circostanti potrebbero essere collassate per dare origine a buchi neri di piccola massa.
Tuttavia, molti ricercatori non supportano il concetto dell’esistenza di buchi neri primordiali nell’universo attuale, e ciò è dovuto a Stephen Hawking.
I buchi neri muoiono?
Una delle teorie più rivoluzionarie di Stephen Hawking suggerisce che nemmeno i buchi neri possono durare per sempre. Il grande fisico pensava che i buchi neri “perdessero” una forma di radiazione termica, un concetto in seguito chiamato “radiazione di Hawking” in suo onore.
Man mano che i buchi neri perdono la radiazione di Hawking, perdono massa e alla fine esplodono. Quanto più piccola è la massa di un buco nero, tanto più velocemente dovrebbe disperdersi la radiazione di Hawking. Ciò significa che, per i buchi neri supermassicci, questo processo richiederebbe più tempo della vita dell’universo. Ma i piccoli buchi neri fuoriuscirebbero molto più velocemente e quindi dovrebbero morire molto più velocemente.
È quindi una sfida spiegare come i buchi neri primordiali possano essere rimasti in vita per 13,8 miliardi di anni senza diventare “puff”. Se Roman riuscisse a scoprire questi fossili cosmici, ciò costituirebbe un importante ripensamento di molti principi della fisica.
“Influenzerebbe tutto, dalla formazione delle galassie al contenuto di materia oscura dell’universo, alla storia cosmica”, ha detto nella dichiarazione Kailash Sahu, un astronomo dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, non coinvolto nello studio. “Confermare la loro identità sarà un lavoro duro e gli astronomi avranno bisogno di molto lavoro di convincimento, ma ne varrebbe la pena”.
Anche individuare i buchi neri primordiali non sarebbe un’impresa da poco. Come ogni buco nero, questi vuoti sarebbero delimitati da un orizzonte degli eventi e non emetterebbero né rifletterebbero la luce. Ciò significa che l’unico modo per rilevarli sarebbe utilizzare un principio sviluppato da Albert Einstein nella sua teoria della gravità del 1915 nota come relatività generale.
In collaborazione con Einstein
La relatività generale prevede che tutti gli oggetti dotati di massa causino una curvatura nel tessuto stesso dello spazio e del tempo, uniti come un’unica entità quadridimensionale chiamata “spaziotempo”. Quando la luce proveniente da una sorgente di fondo attraversa la curvatura, il suo percorso è curvo. Quanto più la luce passa vicino all’oggetto lente, tanto più il suo percorso è curvo. Ciò significa che la luce proveniente dallo stesso oggetto può arrivare al telescopio in momenti diversi. Questo si chiama lente gravitazionale.
Quando l’oggetto dell’obiettivo è incredibilmente massiccio, come una galassia, può sembrare che la sorgente di sfondo si sposti in una posizione apparente o addirittura appaia in più punti nella stessa immagine. Se l’oggetto della lente ha una massa più piccola, come un buco nero primordiale, l’effetto della lente è minore, ma può causare uno schiarimento delle sorgenti di fondo che possono essere rilevate. Questo è un effetto chiamato microlensing.
Attualmente, il microlensing viene utilizzato con grande efficacia per rilevare pianeti canaglia, o mondi che vagano attraverso la Via Lattea senza una stella madre. Ciò ha rivelato una vasta popolazione di furfanti più o meno delle dimensioni della Terra – più di quanto teorico; i modelli prevedono, infatti. Con questo schema, gli scienziati prevedono che Roman aumenterà di dieci volte il rilevamento di criminali di massa terrestre.
L’abbondanza di questi oggetti ha portato a ipotizzare che alcuni di questi oggetti di massa terrestre potrebbero effettivamente essere buchi neri primordiali. “Non c’è modo di distinguere caso per caso tra buchi neri di massa terrestre e pianeti canaglia”, ha detto DeRocco. “Roman sarà estremamente potente nel distinguere statisticamente tra i due”.
“Questo è un esempio entusiasmante di qualcosa che gli scienziati potrebbero fare con i dati romani che stanno già ottenendo mentre cercano i pianeti”, ha detto Sahu. “E i risultati sono interessanti indipendentemente dal fatto che gli scienziati trovino o meno prove dell’esistenza di buchi neri di massa terrestre. In entrambi i casi rafforzerebbe la nostra comprensione dell’universo”.
La ricerca del team è stata pubblicata a gennaio sulla rivista Physical Review D.
