I buchi neri primordiali sono oggetti ipotetici formatisi durante i primi istanti dell'universo. Secondo i modelli, si sono formati da microfluttuazioni nella densità della materia e nello spaziotempo per diventare buchi neri ammassati come montagne delle dimensioni di granelli di sabbia.
Anche se non abbiamo mai rilevato buchi neri primordiali, essi hanno tutte le proprietà necessarie della materia oscura, come non emettere luce e la capacità di raggrupparsi attorno alle galassie. Se esistessero, potrebbero spiegare la maggior parte della materia oscura.
Lo svantaggio è che la maggior parte dei candidati buchi neri primordiali sono stati esclusi dall’osservazione. Ad esempio, per tenere conto della materia oscura dovrebbero esserci così tanti di questi pipsqueak gravitazionali che spesso passerebbero davanti a una stella dal nostro punto di vista. Ciò creerebbe un bagliore di microlente che dovremmo osservare regolarmente. Diverse indagini del cielo hanno cercato un evento del genere senza alcun risultato, quindi la materia oscura PBH non è un'idea popolare al giorno d'oggi.
Un nuovo lavoro, pubblicato su arXiv server di prestampa, adotta un approccio leggermente diverso. Invece di considerare i tipici buchi neri primordiali, considera i buchi neri ultraleggeri. Queste sono le masse più piccole tra quelle possibili e sono così piccole che entrerebbe in gioco la radiazione di Hawking.
Il tasso di decadimento di Hawking è inversamente proporzionale alla dimensione di un buco nero, quindi questi buchi neri ultraleggeri dovrebbero irradiarsi fino alla fine della loro vita in un breve lasso di tempo cosmico. Dato che non disponiamo di un modello completo della gravità quantistica, non sappiamo cosa accadrebbe alla fine ai buchi neri ultraleggeri, ed è qui che entra in gioco questo articolo.
Come osserva l’autore, fondamentalmente ci sono tre possibili risultati. Il primo è che il buco nero si irradia completamente. Il buco nero finirebbe come un breve lampo di particelle ad alta energia. La seconda è che qualche meccanismo impedisce la completa evaporazione e il buco nero raggiunge una sorta di stato di equilibrio. La terza opzione è simile alla seconda, ma in questo caso lo stato di equilibrio fa scomparire l’orizzonte degli eventi, lasciando esposta una massa densa nota come singolarità nuda. L'autore nota inoltre che per gli ultimi due risultati, gli oggetti potrebbero avere una carica elettrica netta.
Nel caso dell’evaporazione, l’incognita più grande sarebbe la tempistica dell’evaporazione. Se i PBH fossero inizialmente piccoli, evaporrebbero rapidamente e si aggiungerebbero all’effetto di riscaldamento del cosmo primordiale. Se evaporassero lentamente, dovremmo essere in grado di vedere la loro morte come un lampo di raggi gamma. Nessuno di questi effetti è stato osservato, ma è possibile che rilevatori come il Large Area Telescope di Fermi possano coglierne uno sul fatto.
Per le ultime due opzioni, l’autore sostiene che l’equilibrio verrebbe raggiunto attorno alla scala di Planck. I resti avrebbero le dimensioni di un protone ma avrebbero masse molto più elevate. Sfortunatamente, se questi resti fossero elettricamente neutri, sarebbero impossibili da rilevare. Non decadrebbero in altre particelle, né sarebbero abbastanza grandi da poter essere rilevate direttamente. Ciò corrisponderebbe all'osservazione, ma non è un risultato soddisfacente. Il modello è sostanzialmente indimostrabile. Se le particelle hanno una carica, potremmo rilevarne la presenza nella prossima generazione di rilevatori di neutrini.
La cosa principale di questo lavoro è che i buchi neri primordiali non sono del tutto esclusi dalle osservazioni attuali. Fino a quando non avremo dati migliori, questo modello si aggiungerà alla pila teorica di molte altre possibilità.
Ulteriori informazioni: Stefano Profumo, Buchi neri primordiali ultraleggeri, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2405.00546
Informazioni sul giornale: arXiv
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