I buchi neri primordiali (PBH), si pensa si siano formati immediatamente dopo il Big Bang, potrebbero essere soggetti a riscaldamento ed esplosione in tutto l’universo. Queste esplosioni di buchi neri, alimentate dalla radiazione di Hawking — un processo quantistico in cui i buchi neri generano particelle dal vuoto a causa dei loro intensi campi gravitazionali — potrebbero essere rilevate dai telescopi futuri, secondo recenti studi. Una volta rilevate, tali esplosioni esotiche potrebbero fornire informazioni sull’esistenza di particelle finora sconosciute nel nostro universo.

Buchi neri dall’alba dei tempi

Esistono già numerose prove dell’esistenza di buchi neri che variano da alcune volte la massa del Sole fino a miliardi di volte la massa solare. Tali buchi neri sono stati rilevati direttamente attraverso le onde gravitazionali che emettono durante le fusioni che contribuiscono alla loro crescita. Alcuni buchi neri, come il Sagittarius A* della Via Lattea, sono stati anche immortalati come “ombre” dal Telescopio Event Horizon.
È interessante notare che i PBH, inizialmente proposti nel 1967, sembrerebbero essersi formati nei primi istanti dopo il Big Bang e potrebbero aver avuto dimensioni simili a particelle subatomiche. A differenza dei loro omologhi più grandi, formati dal collasso di stelle massicce e galassie, i PBH potrebbero derivare dal collasso di regioni ultradense nell’ “zuppa primordiale” di particelle dell’universo primordiale. Se esistono, questi oggetti compatti potrebbero rappresentare una spiegazione naturale per la materia oscura, entità invisibile che costituisce circa l’85% della massa dell’universo. Tuttavia, i PBH rimangono sfuggevoli e la loro esistenza teorica è supportata da una combinazione di modelli cosmologici, ma non sono ancora stati osservati direttamente.

L’effetto della radiazione di Hawking

Uno degli aspetti più interessanti dei PBH è la loro connessione con la radiazione di Hawking. Secondo la teoria quantistica, i buchi neri non sono completamente “neri”; possono emettere radiazione e perdere lentamente massa attraverso un processo teorizzato per la prima volta come spiegato da Hawking. Questa emissione, nota come radiazione di Hawking, avviene quando coppie di particelle virtuali si manifestano e scompaiono nel vuoto dello spazio vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero. Mentre queste coppie normalmente si annichilano reciprocamente, se una di esse cade nel buco nero, l’altra particella può sfuggire come radiazione. Col passare del tempo, questo porta alla graduale evaporazione del buco nero.”Per i buchi neri con masse superiori a poche volte quella del Sole, la radiazione di Hawking è quasi impossibile da rilevare,” viene spiegato nel contesto della ricerca. “Tuttavia, i buchi neri più leggeri — come i PBH — sarebbero molto più caldi e emetterebbero radiazione in misura maggiore, potenzialmente consentendoci di rilevare questo processo.” Questa radiazione può includere una varietà di particelle, dai fotoni agli elettroni, fino ai neutrini.

Esplorando i momenti finali di un PBH

Nello studio recente, pubblicato nella rivista Journal of High Energy Physics, sono state introdotte metodologie innovative per studiare i PBH durante le loro fasi finali di evaporazione. Analizzando le proprietà della loro radiazione di Hawking, i ricercatori hanno sviluppato strumenti per stimare la massa e il momento angolare di un PBH. “Monitorare la massa e il momento angolare di un PBH mentre evapora potrebbe fornire preziose indicazioni sulla sua formazione e evoluzione,” è stata una delle conclusioni chiave. Il loro lavoro ha implicazioni significative per la fisica fondamentale. I ricercatori hanno esplorato come la teoria delle stringhe — un tentativo di unificare le forze fondamentali della natura all’interno di una singola teoria quantistica — potrebbe influenzare un PBH in evaporazione. La teoria delle stringhe prevede l’esistenza di numerose particelle a bassa massa chiamate axioni, che non possiedono spin intrinseco. La ricerca ha suggerito che l’emissione di axioni potrebbe effettivamente ruotare un PBH, contrariamente alle previsioni di Hawking. “Un PBH rotante fornirebbe prove convincenti per questi axioni esotici, potenzialmente rivoluzionando la nostra comprensione della fisica delle particelle,” è stato indicato. Inoltre, si suggerisce che l’analisi dell’evoluzione della massa e del momento angolare di un PBH nei suoi momenti finali potrebbe rivelare l’esistenza di altre nuove particelle. Monitorando lo spettro della radiazione di Hawking, gli scienziati potrebbero distinguere tra modelli di fisica delle particelle ad alta energia. I telescopi per neutrini, come IceCube, potrebbero persino contribuire a scoprire queste nuove particelle mentre i PBH esplodono nello spazio. “Se siamo in grado di catturare un solo PBH in esplosione e misurare la sua radiazione di Hawking, potremmo apprendere enormi quantità su nuove particelle e potenzialmente guidare la progettazione di futuri acceleratori di particelle,” è stata una delle considerazioni finali. Anche se nessun PBH esplosivo è stato ancora rilevato, gli strumenti e i metodi sviluppati potrebbero aprire la strada a nuove scoperte. I ricercatori hanno sottolineato che esperimenti dedicati potrebbero non essere necessari, poiché diversi nuovi telescopi per raggi gamma e neutrini con sensibilità senza precedenti sono già in fase di sviluppo. “I telescopi futuri potrebbero facilmente rilevare uno se esplode nei dintorni. Se siamo abbastanza fortunati da individuare un PBH in esplosione, potrebbe cambiare tutto ciò che sappiamo sulle leggi fondamentali della natura,” è stata una delle affermazioni cruciali.