Un nuovo studio pubblicato su Lettere di revisione fisica delinea come gli scienziati potrebbero utilizzare gli esperimenti sulle onde gravitazionali per testare l'esistenza di buchi neri primordiali, i pozzi gravitazionali formati pochi istanti dopo il Big Bang che alcuni scienziati hanno ipotizzato potrebbero essere una spiegazione per la materia oscura.

"Sappiamo molto bene che i buchi neri possono essere formati dal collasso di grandi stelle, o come abbiamo visto di recente, la fusione di due stelle di neutroni, " disse Savvas Koushiappas, professore associato di fisica alla Brown University e coautore dello studio con Avi Loeb della Harvard University. "Ma è stato ipotizzato che potrebbero esserci buchi neri che si sono formati nell'universo primordiale prima che esistessero le stelle. Questo è ciò che stiamo affrontando con questo lavoro".

L'idea è che poco dopo il Big Bang, le fluttuazioni della meccanica quantistica hanno portato alla distribuzione della densità della materia che osserviamo oggi nell'universo in espansione. È stato suggerito che alcune di queste fluttuazioni di densità potrebbero essere state abbastanza grandi da provocare buchi neri disseminati in tutto l'universo. Questi cosiddetti buchi neri primordiali sono stati proposti per la prima volta nei primi anni '70 da Stephen Hawking e collaboratori, ma non sono mai stati rilevati:non è ancora chiaro se esistano.

La capacità di rilevare le onde gravitazionali, come dimostrato di recente dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ha il potenziale per gettare nuova luce sulla questione. Tali esperimenti rilevano increspature nel tessuto dello spaziotempo associate a giganteschi eventi astronomici come la collisione di due buchi neri. LIGO ha già rilevato diverse fusioni di buchi neri, e futuri esperimenti saranno in grado di rilevare eventi accaduti molto più indietro nel tempo.

"L'idea è molto semplice, " ha detto Koushiappas. "Con i futuri esperimenti sulle onde gravitazionali, potremo guardare indietro a un tempo prima della formazione delle prime stelle. Quindi, se vediamo eventi di fusione di buchi neri prima che esistessero le stelle, allora sapremo che quei buchi neri non sono di origine stellare".

I cosmologi misurano quanto indietro nel tempo si è verificato un evento utilizzando il redshift, l'allungamento della lunghezza d'onda della luce associata all'espansione dell'universo. Eventi più indietro nel tempo sono associati a spostamenti verso il rosso più grandi. Per questo studio, Koushiappas e Loeb hanno calcolato il redshift in corrispondenza del quale le fusioni di buchi neri non dovrebbero più essere rilevate assumendo solo l'origine stellare.

Mostrano che con un redshift di 40, che equivale a circa 65 milioni di anni dopo il Big Bang, gli eventi di fusione dovrebbero essere rilevati a un ritmo non superiore a uno all'anno, supponendo un'origine stellare. A redshift maggiori di 40, gli eventi dovrebbero scomparire del tutto.

"Questo è davvero il punto morto, "Koushiappas ha detto. "In realtà, ci aspettiamo che gli eventi di fusione si fermino molto prima di quel punto, ma uno spostamento verso il rosso di 40 o giù di lì è il limite o il punto limite più difficile in assoluto."

Un redshift di 40 dovrebbe essere alla portata di diversi esperimenti sulle onde gravitazionali proposti. E se rilevano eventi di fusione oltre a questo, significa una delle due cose, Koushiappas e Loeb dicono:o esistono buchi neri primordiali, o l'universo primordiale si è evoluto in un modo molto diverso dal modello cosmologico standard. O sarebbero scoperte molto importanti, dicono i ricercatori.

Per esempio, I buchi neri primordiali rientrano in una categoria di entità note come MACHO, o massicci oggetti compatti Halo. Alcuni scienziati hanno proposto che la materia oscura, la materia invisibile che si pensa comprenda la maggior parte della massa dell'universo, possa essere costituita da MACHO sotto forma di buchi neri primordiali. Un rilevamento di buchi neri primordiali rafforzerebbe questa idea, mentre una mancata rilevazione ne metterebbe in dubbio.

L'unica altra possibile spiegazione per le fusioni di buchi neri a redshift maggiori di 40 è che l'universo sia "non gaussiano". Nel modello cosmologico standard, le fluttuazioni della materia nell'universo primordiale sono descritte da una distribuzione di probabilità gaussiana. Un rilevamento di fusione potrebbe significare che le fluttuazioni della materia deviano da una distribuzione gaussiana.

"La prova della non-gaussianità richiederebbe una nuova fisica per spiegare l'origine di queste fluttuazioni, che sarebbe un grosso problema, " ha detto Lobe.

La velocità con cui vengono effettuati i rilevamenti oltre un redshift di 40, se effettivamente tali rilevamenti vengono effettuati, dovrebbe indicare se sono un segno di buchi neri primordiali o prove di non gaussianità. Ma una mancata rilevazione presenterebbe una forte sfida a quelle idee.