Il Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) è sede di molti progetti interdisciplinari che beneficiano della sinergia di un'ampia gamma di competenze disponibili presso l'istituto. Uno di questi progetti è lo studio dei buchi neri che potrebbero essersi formati nell'universo primordiale, prima che nascessero stelle e galassie.

Tali buchi neri primordiali (PBH) potrebbero spiegare tutta o parte della materia oscura, essere responsabile di alcuni dei segnali di onde gravitazionali osservati, e semi di buchi neri supermassicci trovati al centro della nostra Galassia e di altre galassie. Potrebbero anche svolgere un ruolo nella sintesi di elementi pesanti quando si scontrano con stelle di neutroni e le distruggono, rilascio di materiale ricco di neutroni. In particolare, c'è un'eccitante possibilità che la misteriosa materia oscura, che rappresenta la maggior parte della materia nell'universo, è composto da buchi neri primordiali. Il premio Nobel per la fisica 2020 è stato assegnato a un teorico, Roger Penrose, e due astronomi, Reinhard Genzel e Andrea Ghez, per le loro scoperte che hanno confermato l'esistenza dei buchi neri. Poiché si sa che i buchi neri esistono in natura, sono un candidato molto interessante per la materia oscura.

I recenti progressi nella teoria fondamentale, astrofisica, e osservazioni astronomiche alla ricerca di PBH sono state fatte da un team internazionale di fisici delle particelle, cosmologi e astronomi, compresi i membri di Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada e Volodymyr Takhistov.

Per saperne di più sui buchi neri primordiali, il team di ricerca ha cercato indizi nell'universo primordiale. L'universo primordiale era così denso che qualsiasi fluttuazione positiva di densità superiore al 50 percento avrebbe creato un buco nero. Però, le perturbazioni cosmologiche che hanno seminato le galassie sono note per essere molto più piccole. Tuttavia, un certo numero di processi nell'universo primordiale potrebbe aver creato le condizioni giuste per la formazione dei buchi neri.

Un'eccitante possibilità è che i buchi neri primordiali possano formarsi dagli "universi neonati" creati durante l'inflazione, un periodo di rapida espansione che si ritiene sia responsabile della semina delle strutture che osserviamo oggi, come galassie e ammassi di galassie. Durante l'inflazione, i piccoli universi possono diramarsi dal nostro universo. Un piccolo universo infantile (o "figlia") alla fine crollerebbe, ma la grande quantità di energia rilasciata nel piccolo volume provoca la formazione di un buco nero.

Un destino ancora più particolare attende un universo bambino più grande. Se è più grande di una certa dimensione critica, La teoria della gravità di Einstein consente all'universo bambino di esistere in uno stato che appare diverso a un osservatore dall'interno e dall'esterno. Un osservatore interno lo vede come un universo in espansione, mentre un osservatore esterno (come noi) lo vede come un buco nero. In ogni caso, gli universi bambino grande e piccolo sono da noi visti come buchi neri primordiali, che nascondono la struttura sottostante di più universi dietro i loro "orizzonti degli eventi". L'orizzonte degli eventi è un confine al di sotto del quale tutto, anche luce, è intrappolato e non può sfuggire al buco nero.

Nella loro carta, il team ha descritto un nuovo scenario per la formazione di PBH e ha mostrato che i buchi neri dello scenario "multiverso" possono essere trovati utilizzando l'Hyper Suprime-Cam (HSC) del telescopio Subaru da 8,2 m, una gigantesca fotocamera digitale - la cui gestione Kavli IPMU ha svolto un ruolo cruciale - vicino al 4, Vetta di 200 metri del Monte Mauna Kea alle Hawaii. Il loro lavoro è un'entusiasmante estensione della ricerca HSC di PBH che Masahiro Takada, un investigatore principale presso l'IPMU Kavli, e la sua squadra stanno inseguendo. Il team HSC ha recentemente segnalato i principali vincoli sull'esistenza di PBH a Niikura, Takada et. al. ( Astronomia della natura 3, 524-534 (2019))

Perché l'HSC è stato indispensabile in questa ricerca? L'HSC ha una capacità unica di visualizzare l'intera galassia di Andromeda ogni pochi minuti. Se un buco nero passa attraverso la linea di vista di una delle stelle, la gravità del buco nero piega i raggi luminosi e fa apparire la stella più luminosa di prima per un breve periodo di tempo. La durata dello schiarimento della stella dice agli astronomi la massa del buco nero. Con le osservazioni dell'HSC, si possono osservare contemporaneamente cento milioni di stelle, gettando un'ampia rete per i buchi neri primordiali che potrebbero attraversare una delle linee di vista.

Le prime osservazioni HSC hanno già riportato un evento candidato molto intrigante coerente con un PBH dal "multiverso, " con una massa di buco nero paragonabile alla massa della Luna. Incoraggiato da questo primo segno, e guidato dalla nuova comprensione teorica, il team sta conducendo un nuovo ciclo di osservazioni per estendere la ricerca e fornire un test definitivo per verificare se i PBH dello scenario multiverso possono spiegare tutta la materia oscura.