Gli astronomi hanno scoperto buchi neri che vanno da poche volte la massa del sole a decine di miliardi. Ora un gruppo di scienziati ha previsto che il telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA potrebbe trovare una classe di buchi neri "peso piuma" che finora è sfuggito al rilevamento.
Oggi i buchi neri si formano quando una stella massiccia collassa o quando oggetti pesanti si fondono. Tuttavia, gli scienziati sospettano che i buchi neri "primordiali" più piccoli, inclusi alcuni con masse simili a quelle della Terra, potrebbero essersi formati nei primi momenti caotici dell'universo primordiale.
"Rilevare una popolazione di buchi neri primordiali di massa terrestre sarebbe un passo incredibile sia per l'astronomia che per la fisica delle particelle perché questi oggetti non possono formarsi attraverso alcun processo fisico conosciuto", ha affermato William DeRocco, ricercatore post-dottorato presso l'Università della California a Santa Monica. Cruz che ha condotto uno studio su come Roman avrebbe potuto rivelarli.
Un articolo che descrive i risultati è stato pubblicato sulla rivista Physical Review D . "Se li troviamo, sconvolgerà il campo della fisica teorica."
I buchi neri più piccoli che si formano oggigiorno nascono quando una stella massiccia esaurisce il carburante. La sua pressione verso l’esterno diminuisce man mano che la fusione nucleare si esaurisce, quindi l’attrazione gravitazionale verso l’interno vince il tiro alla fune. La stella si contrae e può diventare così densa da diventare un buco nero.
Ma è richiesta una massa minima:almeno otto volte quella del nostro sole. Le stelle più leggere diventeranno nane bianche o stelle di neutroni.
Le condizioni dell’universo primordiale, tuttavia, potrebbero aver consentito la formazione di buchi neri molto più leggeri. Uno che pesasse la massa della Terra avrebbe un orizzonte degli eventi – il punto di non ritorno per gli oggetti in caduta – largo circa quanto una moneta da un centesimo statunitense.
Proprio quando l’universo stava nascendo, gli scienziati pensano che abbia vissuto una fase breve ma intensa conosciuta come inflazione, quando lo spazio si espanse più velocemente della velocità della luce. In queste condizioni speciali, aree più dense di quelle circostanti potrebbero essere collassate per formare buchi neri primordiali di piccola massa.
Mentre la teoria prevede che i più piccoli dovrebbero evaporare prima che l'universo raggiunga l'età attuale, quelli con masse simili a quelle della Terra potrebbero essere sopravvissuti.
La scoperta di questi minuscoli oggetti avrebbe un enorme impatto sulla fisica e sull'astronomia.
"Influenzerebbe tutto, dalla formazione delle galassie al contenuto di materia oscura dell'universo, alla storia cosmica", ha detto Kailash Sahu, un astronomo dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, che non è stato coinvolto nello studio. "Confermare la loro identità sarà un lavoro duro e gli astronomi avranno bisogno di molto lavoro di convincimento, ma ne varrà la pena."
Le osservazioni hanno già rivelato indizi secondo cui tali oggetti potrebbero essere in agguato nella nostra galassia. I buchi neri primordiali sarebbero invisibili, ma le rughe nello spazio-tempo hanno contribuito a individuare alcuni possibili sospetti.
Il microlensing è un effetto osservativo che si verifica perché la presenza di massa deforma il tessuto dello spazio-tempo, come l’impronta che una palla da bowling lascia quando viene posizionata su un trampolino. Ogni volta che un oggetto sembra spostarsi vicino a una stella sullo sfondo dal nostro punto di osservazione, la luce della stella deve attraversare lo spazio-tempo deformato attorno all'oggetto. Se l'allineamento è particolarmente ravvicinato, l'oggetto può agire come una lente naturale, focalizzando e amplificando la luce della stella sullo sfondo.
Gruppi separati di astronomi utilizzando i dati di MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) –– una collaborazione che conduce osservazioni di microlente utilizzando l'Osservatorio della Mount John University in Nuova Zelanda –– e OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) hanno trovato una popolazione inaspettatamente grande di individui isolati Oggetti di massa terrestre.
Le teorie sulla formazione dei pianeti e sull’evoluzione prevedono determinate masse e abbondanze di pianeti canaglia, mondi che vagano per la galassia senza legami con una stella. Le osservazioni MOA e OGLE suggeriscono che ci sono più oggetti di massa terrestre alla deriva attraverso la galassia di quanto previsto dai modelli.
"Non c'è modo di distinguere caso per caso tra buchi neri di massa terrestre e pianeti canaglia", ha detto DeRocco. Ma gli scienziati si aspettano che Roman trovi 10 volte più oggetti in questo intervallo di massa rispetto ai telescopi terrestri. "Roman sarà estremamente potente nel distinguere statisticamente tra i due."
DeRocco ha condotto uno sforzo per determinare quanti pianeti canaglia dovrebbero trovarsi in quell'intervallo di massa e quanti buchi neri primordiali Roman potrebbe distinguere tra di loro.
La scoperta di buchi neri primordiali rivelerebbe nuove informazioni sull’universo primordiale e suggerirebbe fortemente che si sia effettivamente verificato un primo periodo di inflazione. Potrebbe anche spiegare una piccola percentuale della misteriosa materia oscura che secondo gli scienziati costituisce la maggior parte della massa del nostro universo, ma che finora non sono stati in grado di identificare.
"Questo è un esempio entusiasmante di qualcosa che altri scienziati potrebbero fare con i dati che Roman sta già ottenendo mentre cerca pianeti", ha detto Sahu. "E i risultati sono interessanti indipendentemente dal fatto che gli scienziati trovino o meno prove dell'esistenza di buchi neri di massa terrestre. In entrambi i casi rafforzerebbe la nostra comprensione dell'universo."
Ulteriori informazioni: William DeRocco et al, Rivelazione di buchi neri primordiali di massa terrestre con il telescopio spaziale romano Nancy Grace, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.023013. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.00751
Informazioni sul giornale: Revisione fisica D , arXiv
Fornito dalla NASA
