La Galassia di Andromeda è la galassia più vicina alla Via Lattea, 2,5 milioni di anni luce di distanza. Credito:Progetto HSC / NAOJ
La teoria secondo cui la materia oscura potrebbe essere costituita da buchi neri primordiali di una frazione di millimetro è stata esclusa da un team di ricercatori guidati dal Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU).
Nel 1974, il fisico Stephen Hawking ha descritto come i buchi neri primordiali potrebbero essersi formati in una frazione di secondo dopo il Big Bang. I buchi neri primordiali potrebbero avere masse che vanno da un minuscolo granello a 100, 000 volte il nostro sole. In contrasto, i buchi neri supermassicci rilevati dalle osservazioni astronomiche hanno iniziato a formarsi almeno centinaia di migliaia di anni dopo, e sono milioni o miliardi di volte più grandi del nostro sole. Poiché non sono stati rilevati buchi neri primordiali di alcuna dimensione, sono stati un candidato intrigante per la sfuggente materia oscura.
Per quanto ne sappiamo attualmente, la materia barionica costituisce solo il 5% di tutta la materia nell'universo. Il resto è materia oscura (27 percento) o energia oscura (68 percento), entrambi i quali non sono ancora stati rilevati fisicamente. Ma i ricercatori sono fiduciosi che la materia oscura esista perché possiamo vedere i suoi effetti sul nostro universo. Senza la forza gravitazionale della materia oscura, le stelle nella nostra Via Lattea starebbero volando via.
Per testare la teoria secondo cui i buchi neri primordiali, in particolare quelli sulla massa della luna o meno, potrebbe essere materia oscura, I ricercatori Kavli IPMU Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura e collaboratori dal Giappone, L'India e gli Stati Uniti hanno cercato questi minuscoli buchi neri tra la Terra e la Galassia di Andromeda, la galassia più vicina alla Via Lattea, 2,5 milioni di anni luce di distanza.
Dati della stella che mostrava caratteristiche di essere ingrandita 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. (Da sinistra a destra) l'immagine originale, l'immagine illuminata, l'immagine differenziale e l'immagine residua. Niikura et al.
"Ciò che mi ha interessato a questo progetto è stato l'enorme impatto che avrebbe avuto sulla scoperta della natura della materia oscura, " dice Niikura. "Scoprire i buchi neri primordiali sarebbe un successo storico. Anche un risultato negativo sarebbe un'informazione preziosa per i ricercatori che ricostruiscono lo scenario di come è iniziato l'universo".
Per cercare buchi neri, il team ha utilizzato l'effetto della lente gravitazionale. Le lenti gravitazionali furono spiegate per la prima volta da Albert Einstein, che ha detto che era possibile l'immagine di un oggetto lontano, come una stella, deformarsi a causa dell'effetto gravitazionale di un oggetto massiccio tra la stella e la Terra. La gravità dell'oggetto massiccio potrebbe agire come una lente di ingrandimento, piegando la luce della stella e facendola apparire più luminosa o distorta agli osservatori umani sulla Terra.
Perché una stella, un buco nero e la Terra si muovono costantemente nello spazio interstellare, una stella diventerebbe gradualmente più luminosa, poi più fioco per gli osservatori sulla Terra, mentre si muove lungo il percorso di una lente gravitazionale. Così i ricercatori hanno catturato 190 immagini consecutive dell'intera Galassia di Andromeda, grazie alla fotocamera digitale Hyper Suprime-Cam del Subaru Telescope alle Hawaii. Se la materia oscura è fatta di buchi neri primordiali e, in questo caso, quelli più leggeri della luna, i ricercatori si aspettavano di trovare 1, 000 microlenti gravitazionali. Hanno calcolato questa stima assumendo che la materia oscura nell'alone dell'intera galassia sia costituita da buchi neri primordiali, e prendendo in considerazione il numero di stelle nella Galassia di Andromeda che potrebbero essere colpite da un buco nero primordiale, e infine le possibilità che le loro apparecchiature catturino un evento di microlenti gravitazionali.
Il telescopio ha fotografato 90 milioni di stelle. Ci sono voluti due anni prima che il team filtrasse tutti i rumori e gli eventi della lente non gravitazionale dai dati. Alla fine, hanno potuto identificare solo una stella che si è illuminata e poi si è oscurata, suggerendo un possibile buco nero primordiale, il che significa che è improbabile che costituiscano tutta la materia oscura.
Comunque, Niikura spiega che c'è ancora molto da imparare sui buchi neri primordiali. I ricercatori avevano solo smentito la teoria per una massa specifica:buchi neri con una massa simile o inferiore alla luna. Precedenti studi hanno escluso altre masse, o fino a che punto potrebbero spiegare la materia oscura. Ma c'è ancora la possibilità che buchi neri primordiali di varie dimensioni possano essere là fuori. L'approccio analitico sviluppato dal team di Kavli potrebbe essere utilizzato in futuri studi sui buchi neri primordiali, compreso il tentativo di determinare se i buchi neri scoperti dal Laser Interferometer Gravitational Wave-Observatory (LIGO) negli Stati Uniti potrebbero effettivamente essere primordiali.
