Piccoli buchi neri primordiali (PBH) sono attualmente uno dei temi principali nell’astronomia e nella cosmologia. Si ritiene che questi buchi neri ipotetici si siano formati poco dopo il Big Bang, a causa di sacche di materia subatomica così densa da subire un collasso gravitazionale. Attualmente, i PBH sono considerati un candidato per la materia oscura, una possibile fonte di onde gravitazionali primordiali e una potenziale soluzione a diversi problemi fisici. Tuttavia, finora non è stato osservato alcun candidato definitivo di PBH, portando a proposte su come potremmo rintracciare questi buchi neri in miniatura.
Recenti ricerche hanno suggerito che stelle nane e neutroniche della sequenza principale potrebbero contenere piccoli PBH al loro interno che stanno lentamente consumando le loro forniture di gas. In un studio recente, un gruppo di fisici ha ampliato questa idea includendo una nuova possibilità per la potenziale rilevazione dei PBH. Fondamentalmente, potremmo cercare all’interno di oggetti come pianeti e asteroidi o utilizzare grandi piastre o lastre di metallo per rilevare i PBH e i segni del loro passaggio. Rilevando i microcanali lasciati da questi corpi, gli scienziati potrebbero finalmente confermare l’esistenza dei PBH e fare luce su alcuni dei più grandi misteri della cosmologia odierna.
La ricerca è stata condotta da De-Chang Dai, un fisico dell’Università Nazionale Dong Hwa di Taiwan e dal Centro per l’Educazione e la Ricerca in Cosmologia e Astrofisica (CERCA) della Case Western Reserve University, e Dejan Stojkovic, un fisico del gruppo di Fisica delle Alte Energie e Cosmologia dell’Università Statale di New York a Buffalo. Il documento che dettaglia i loro risultati è recentemente apparso online ed è in fase di revisione per la pubblicazione sulla rivista Fisica dell’Universo Oscuro.
Come potremmo scoprire i buchi neri primordiali e contribuire a risolvere il mistero della materia oscura. Credito: ESA
Gli scienziati sono affascinati dai PBH da decenni, da quando gli scienziati russi Igor D. Novikov e Yakov Zeldovich ne hanno previsto l’esistenza nel 1966. Sono anche stati un oggetto di interesse per Stephen Hawking, il cui lavoro sui PBH ha portato alla sua scoperta rivoluzionaria nel 1974 che i buchi neri possono evaporare nel tempo. Sebbene i buchi neri di massa maggiore e intermedia impiegherebbero più tempo a evaporare rispetto all’attuale età dell’Universo (ca. 13,8 miliardi di anni), i PBH più piccoli potrebbero aver già fatto o potrebbero essere in procinto di farlo.
Tuttavia, l’interesse per i PBH ha vissuto una rinascita negli ultimi anni, poiché fungono da candidati per la materia oscura, una fonte di onde gravitazionali primordiali (GW) e altro ancora. Come la materia oscura, la loro esistenza potrebbe contribuire a risolvere alcuni dei principali misteri cosmologici, ma non sono state ancora effettuate osservazioni confermate. Come De-Chang e Stojkovic hanno dichiarato a Universe Today via email, questo è ciò che li ha motivati a proporre nuovi metodi di rilevamento:
“Se un asteroide, o una luna, o un piccolo pianeta (planetoide) ha un nucleo liquido circondato da una crosta solida, allora un piccolo PBH consumerà relativamente rapidamente il nucleo liquido denso (nel giro di settimane o mesi). La crosta rimarrà intatta se il materiale è sufficientemente robusto da sostenere lo stress gravitazionale. Pertanto, ci ritroveremo con una struttura cava. Se il buco nero centrale viene espulso (a causa di collisioni con altri oggetti), la densità sarà inferiore a quella usuale di un oggetto roccioso con un nucleo liquido.”
Inoltre, De-Chang e Stojkovic hanno calcolato lo stress gravitazionale che i piccoli PBH genererebbero. Hanno quindi confrontato questo dato con la resistenza alla compressione dei materiali che compongono la crosta di un pianeta – come i minerali silicati (roccia), il ferro e altri elementi. Hanno anche considerato i materiali di fabbricazione più resistenti, come i nanotubi di carbonio a più pareti. “Abbiamo scoperto, ad esempio, che il granito può sostenere strutture cave fino al raggio di 1/10 del raggio della Terra,” ha affermato Stojkovic. “Ecco perché dovremmo concentrarci su planetoidi, lune o asteroidi.”
Questi calcoli offrono un modo per cercare evidenze di PBH nello spazio e qui sulla Terra. Potenziali planetoidi, lune o asteroidi candidati potrebbero essere identificati nel nostro Sistema Solare osservando la loro massa e raggio per fornire stime della loro densità. Ciò consentirebbe agli astronomi di identificare oggetti potenzialmente cavi per studi successivi da parte di sonde, lander e altre missioni spaziali robotiche. In alternativa, raccomandano di costruire sensori per cercare i PBH rilevando il loro passaggio. Ha detto Stojkovic:
“Se un piccolo PBH passa attraverso un materiale solido, lascerà un lungo tunnel dritto con un raggio paragonabile a quello del PBH. Ad esempio, un PBH di 10^23 g dovrebbe lasciare un tunnel con un raggio di 0,1 micron. [Le energie] che tali PBH possono avere sono significative, ma [le energie] che depositano nel materiale sono molto basse. Infatti, un tale PBH può anche passare attraverso un corpo umano, e noi neanche ce ne accorgeremmo perché il tessuto corporeo umano ha una tensione molto bassa.”
In questo contesto, gli scienziati possono cercare micro tunnel in materiali comuni che troviamo in giro (come vetro o rocce). Allo stesso tempo, affermano De-Chang e Stojkovic, potrebbero essere preparate grandi lastre di metallo lucido per questo scopo. Simile al rilevamento dei neutrini, queste lastre avrebbero bisogno di essere isolate in modo che qualsiasi cambiamento improvviso nelle loro proprietà potesse essere registrato. “Il flusso previsto di questi PBH è molto basso e potremmo non trovare nulla, ma il potenziale guadagno nel trovare un PBH sarà enorme, specialmente perché tali esperimenti saranno molto economici,” ha affermato Stojkovic.
Come aggiunto da De-Chang, è stato proposto negli ultimi anni che alcuni buchi neri primordiali potrebbero essere nascosti all’interno delle stelle. Stephen Hawking un tempo propose l’idea, che è diventata la base di due studi, uno pubblicato nel 2019 e un altro lo scorso anno. “Si propone anche che i buchi neri primordiali possano emettere raggi gamma. Forti raggi gamma nel halo di materia oscura della Via Lattea potrebbero essere un buon indizio per l’esistenza di buchi neri primordiali,” ha affermato De-Chang. “Il microlente gravitazionale può essere un altro modo per identificare i buchi neri primordiali.”
Ulteriori letture: arXiv