Figura 1:La galassia della Via Lattea (a sinistra) e la galassia di Andromeda (a destra) sono separate da 2,6 milioni di anni luce. Rispetto alle aree in cui le stelle sono raggruppate insieme, si ritiene che la materia oscura sia distribuita su un volume molto più grande. Credito:Kavli IPMU
Un team internazionale di ricercatori ha sottoposto una teoria ipotizzata dal defunto Stephen Hawking al suo test più rigoroso fino ad oggi, e i loro risultati basati sulle osservazioni del Subaru Telescope hanno escluso la possibilità che buchi neri primordiali più piccoli di un decimo di millimetro costituiscano la maggior parte della materia oscura.
Gli scienziati sanno che il 27% della materia nell'Universo è costituita da materia oscura. La sua forza gravitazionale impedisce alle stelle della nostra Via Lattea di separarsi. Però, tentativi di rilevare tali particelle di materia oscura utilizzando esperimenti sotterranei, o esperimenti con acceleratori tra cui il più grande acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider, hanno fallito finora.
Ciò ha portato gli scienziati a considerare la teoria di Hawking del 1974 sull'esistenza dei buchi neri primordiali, nato poco dopo il Big Bang, e la sua speculazione che potrebbero costituire una grande frazione della sfuggente materia oscura che gli scienziati stanno cercando di scoprire oggi.
Un team internazionale di ricercatori, guidato dal Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe Principal Investigator Masahiro Takada, dottoranda Hiroko Niikura, Professore Naoki Yasuda, e includendo ricercatori dal Giappone, India e Stati Uniti, hanno usato l'effetto della lente gravitazionale per cercare buchi neri primordiali tra la Terra e la galassia di Andromeda. Lenti gravitazionali, un effetto suggerito per la prima volta da Albert Einstein, si manifesta come la flessione dei raggi luminosi provenienti da un oggetto distante come una stella a causa dell'effetto gravitazionale di un oggetto massiccio interposto come un buco nero primordiale. In casi estremi, tale flessione della luce fa apparire la stella sullo sfondo molto più luminosa di quanto non fosse in origine.
Figura 2:mentre il telescopio Subaru sulla Terra osserva la galassia di Andromeda, una stella in Andromeda diventerà significativamente più luminosa se un buco nero primordiale passa davanti alla stella. Mentre il buco nero primordiale continua a muoversi fuori allineamento, la stella diventerà anche più debole (torna alla sua luminosità originale). Credito:Kavli IPMU
Però, gli effetti di lente gravitazionale sono eventi molto rari perché richiedono una stella nella galassia di Andromeda, un buco nero primordiale che funge da lente gravitazionale, e un osservatore sulla Terra per essere esattamente in linea l'uno con l'altro. Quindi, per massimizzare le possibilità di catturare un evento, i ricercatori hanno utilizzato la Hyper Suprime-Cam sul telescopio Subaru, che può catturare l'intera immagine della galassia di Andromeda in uno scatto. Tenendo conto della velocità con cui si prevede che i buchi neri primordiali si muovano nello spazio interstellare, il team ha scattato più immagini per essere in grado di catturare lo sfarfallio di una stella mentre si illumina per un periodo da pochi minuti a ore a causa della lente gravitazionale.
Figura 3:Dati della stella che ha mostrato caratteristiche di ingrandimento da una potenziale lente gravitazionale, forse da un buco nero primordiale. Circa 4 ore dopo l'inizio dell'acquisizione dei dati dal telescopio Subaru, una stella cominciò a brillare di più. Meno di un'ora dopo, la stella ha raggiunto il picco di luminosità prima di diventare più debole. Credito:Niikura et al.
Da 190 immagini consecutive della galassia di Andromeda scattate in sette ore durante una notte limpida, il team ha setacciato i dati per potenziali eventi di lente gravitazionale. Se la materia oscura è costituita da buchi neri primordiali di una data massa, in questo caso masse più chiare della luna, i ricercatori si aspettavano di trovare circa 1000 eventi. Ma dopo attente analisi, potevano identificare solo un caso. I risultati del team hanno mostrato che i buchi neri primordiali possono contribuire non più dello 0,1 per cento di tutta la massa di materia oscura. Perciò, è improbabile che la teoria sia vera./p>
I ricercatori stanno ora pianificando di sviluppare ulteriormente la loro analisi della galassia di Andromeda. Una nuova teoria che indagheranno è scoprire se i buchi neri binari scoperti dal rivelatore di onde gravitazionali LIGO sono in realtà buchi neri primordiali.
Figura 4:Vincoli sulla frazione di massa dei buchi neri primordiali rispetto alla materia oscura nella Via Lattea e nella galassia di Andromeda in funzione della massa del buco nero primordiale. Le regioni ombreggiate mostrano le regioni escluse in cui l'esistenza di tali buchi neri primordiali non è coerente con i vari dati di osservazione. Il colore rosso indica l'area in cui questo studio ha contribuito allo studio dei buchi neri primordiali. L'HSC/Subaru di una notte fornisce i vincoli più rigorosi per i buchi neri primordiali con masse più leggere della massa lunare, per esempio. rispetto ai dati della NASA Kepler a 2 anni. Credito:Niikura et al.
Questi risultati sono stati pubblicati il 1 aprile 2019 in Astronomia della natura .
