I ricercatori del Centro di ricerca per l'universo primordiale (RESCEU) e dell'Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell'universo (Kavli IPMU, WPI) dell'Università di Tokyo hanno applicato la teoria quantistica dei campi, ben compresa e altamente verificata, solitamente applicata a lo studio del molto piccolo, verso un nuovo obiettivo, l'universo primordiale.
La loro esplorazione ha portato alla conclusione che dovrebbero esserci molti meno buchi neri in miniatura di quanto suggerisce la maggior parte dei modelli, anche se presto saranno possibili osservazioni per confermarlo. Il tipo specifico di buco nero in questione potrebbe essere un contendente per la materia oscura. Il loro lavoro è stato pubblicato in Physical Review Letters e Revisione fisica D .
Lo studio dell'universo può essere una cosa scoraggiante, quindi assicuriamoci di essere tutti sulla stessa lunghezza d'onda. Sebbene i dettagli siano confusi, il consenso generale tra i fisici è che l'universo ha circa 13,8 miliardi di anni, ha avuto inizio con un botto, si è espanso rapidamente in un periodo chiamato inflazione, e a un certo punto lungo la linea è passato dall'essere omogeneo a contenere dettagli e struttura. /P>
La maggior parte dell'universo è vuota, ma nonostante ciò sembra essere significativamente più pesante di quanto possa essere spiegato da ciò che possiamo vedere:chiamiamo questa discrepanza materia oscura e nessuno sa cosa potrebbe essere, ma si stanno sviluppando prove che potrebbe essere buchi neri, in particolare quelli vecchi.
"Li chiamiamo buchi neri primordiali (PBH) e molti ricercatori ritengono che siano un forte candidato per la materia oscura, ma ce ne dovrebbero essere molti per soddisfare questa teoria", ha detto lo studente laureato Jason Kristiano.
"Sono interessanti anche per altri motivi, poiché dopo la recente innovazione dell'astronomia delle onde gravitazionali, ci sono state scoperte di fusioni binarie di buchi neri, che possono essere spiegate se i PBH esistono in grandi numeri. Ma nonostante queste forti ragioni per la loro prevista abbondanza, non ne abbiamo visto nessuno direttamente e ora abbiamo un modello che dovrebbe spiegare perché è così."
Kristiano e il suo supervisore, il professor Jun'ichi Yokoyama, attualmente direttore di Kavli IPMU e RESCEU, hanno esplorato ampiamente i vari modelli per la formazione di PBH, ma hanno scoperto che i principali contendenti non si allineano con le osservazioni reali del fondo cosmico a microonde (CMB). , che è una sorta di impronta digitale rimasta dall'esplosione del Big Bang che segnò l'inizio dell'universo. E se qualcosa non è d'accordo con osservazioni solide, non può essere vero o, nella migliore delle ipotesi, può solo dipingere una parte del quadro.
In questo caso, il team ha utilizzato un nuovo approccio per correggere il modello principale della formazione di PBH dall'inflazione cosmica in modo che si allinei meglio con le osservazioni attuali e possa essere ulteriormente verificato con le prossime osservazioni da parte degli osservatori di onde gravitazionali terrestri in tutto il mondo.
"All'inizio, l'universo era incredibilmente piccolo, molto più piccolo delle dimensioni di un singolo atomo. L'inflazione cosmica lo espanse rapidamente di 25 ordini di grandezza. A quel tempo, le onde che viaggiavano attraverso questo piccolo spazio avrebbero potuto avere ampiezze relativamente grandi ma molto lunghezze d'onda corte Ciò che abbiamo scoperto è che queste onde piccole ma forti possono tradursi in un'amplificazione altrimenti inspiegabile di onde molto più lunghe che vediamo nell'attuale CMB," ha detto Yokoyama.
"Crediamo che ciò sia dovuto a casi occasionali di coerenza tra queste prime onde corte, che possono essere spiegati utilizzando la teoria quantistica dei campi, la teoria più solida che abbiamo per descrivere fenomeni quotidiani come i fotoni o gli elettroni. Mentre le singole onde corte sarebbero relativamente impotenti , gruppi coerenti avrebbero il potere di rimodellare onde molto più grandi di loro. Questo è un raro esempio in cui una teoria di qualcosa su una scala estrema sembra spiegare qualcosa all'estremità opposta della scala."
Se, come suggeriscono Kristiano e Yokoyama, le prime fluttuazioni su piccola scala dell’universo influenzano alcune delle fluttuazioni su scala più ampia che vediamo nella CMB, ciò potrebbe alterare la spiegazione standard delle strutture grossolane dell’universo. Inoltre, dato che possiamo usare le misurazioni delle lunghezze d’onda nella CMB per limitare efficacemente l’estensione delle lunghezze d’onda corrispondenti nell’universo primordiale, ciò vincola necessariamente qualsiasi altro fenomeno che potrebbe fare affidamento su queste lunghezze d’onda più corte e più forti. Ed è qui che tornano in gioco i PBH.
"È opinione diffusa che il collasso delle lunghezze d'onda corte ma forti nell'universo primordiale sia ciò che crea i buchi neri primordiali", ha detto Kristiano. "Il nostro studio suggerisce che dovrebbero esserci molti meno PBH di quanto sarebbe necessario se fossero davvero un forte candidato per la materia oscura o gli eventi di onde gravitazionali."
Al momento in cui scrivo, gli osservatori mondiali di onde gravitazionali, LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e KAGRA in Giappone, sono nel bel mezzo di una missione di osservazione che mira a osservare i primi piccoli buchi neri, probabilmente PBH. In ogni caso, i risultati dovrebbero offrire al team prove concrete per aiutarli a perfezionare ulteriormente la loro teoria.
