I buchi neri primordiali (PBH) sono oggetti che si sono formati poche frazioni di secondo dopo il Big Bang, considerato da molti ricercatori tra i principali candidati nello spiegare la natura della materia oscura, soprattutto a seguito delle osservazioni dirette delle onde gravitazionali da parte dei rivelatori VIRGO e LIGO nel 2016. “Abbiamo testato uno scenario in cui la materia oscura è composta da buchi neri non stellari, formatosi nell'universo primordiale, "dice Riccardo Murgia, autore principale dello studio recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica . La ricerca è stata condotta insieme ai colleghi Giulio Scelfo e Matteo Viel della SISSA—International School for Advanced Studies e dell'INFN—Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (divisione di Trieste) e Alvise Raccanelli del CERN.

"I buchi neri primordiali rimangono per il momento oggetti ipotetici, ma sono previste in alcuni modelli dell'universo primordiale, " dice Raccanelli del CERN. "Inizialmente proposto da Stephen Hawking nel 1971, sono tornati alla ribalta negli ultimi anni come possibili candidati per spiegare la materia oscura. Si ritiene che la materia oscura rappresenti circa l'80% di tutta la materia presente nell'universo, quindi spiegarne anche solo una piccola parte sarebbe un grande risultato. Alla ricerca di prove dell'esistenza di PBH, o escludendo la loro esistenza, ci fornisce anche informazioni di notevole rilevanza sulla fisica dell'universo primordiale."

Foreste cosmiche e ragnatele

In questo lavoro, gli scienziati si sono concentrati sull'abbondanza di PBH che sono 50 volte più massicci del sole. In breve, i ricercatori hanno cercato di descrivere meglio alcuni parametri legati alla loro presenza (nello specifico massa e abbondanza) analizzando l'interazione della luce emessa da quasar estremamente distanti con la rete cosmica, una rete di filamenti composta da gas e materia oscura presente in tutto l'universo.

Dentro questa fitta trama, gli studiosi si sono concentrati sulla cosiddetta foresta Lyman-alpha, le interazioni dei fotoni con l'idrogeno dei filamenti cosmici, che presenta caratteristiche strettamente legate alla natura fondamentale della materia oscura.

Tra supercomputer e telescopi

Le simulazioni effettuate utilizzando il supercomputer Ulysses della SISSA e dell'ICTP sono state in grado di riprodurre le interazioni tra fotoni e idrogeno. I modelli sono stati confrontati con le interazioni reali rilevate dal telescopio Keck alle Hawaii. I ricercatori sono stati quindi in grado di tracciare diverse proprietà dei buchi neri primordiali per comprendere gli effetti della loro presenza.

"Abbiamo usato un computer per simulare la distribuzione dell'idrogeno neutro su scale sub-galattiche, che si manifesta sotto forma di righe di assorbimento negli spettri di sorgenti lontane, " dice Murgia. "Confrontando i risultati delle nostre simulazioni con i dati osservati, è possibile stabilire limiti alla massa e all'abbondanza dei buchi neri primordiali e determinare se e in che misura tali candidati costituiscono materia oscura".

I risultati dello studio sembrano sfavorire il caso che tutta la materia oscura sia composta da un certo tipo di buco nero primordiale (quelli con massa maggiore di 50 volte quella del sole) ma non escludono del tutto che possano costituire una frazione di esso.

"Abbiamo sviluppato un nuovo modo per esplorare in modo semplice ed efficiente scenari alternativi del modello cosmologico standard, secondo cui la materia oscura sarebbe invece composta da particelle massicce che interagiscono debolmente (WIMP)."

Questi risultati, importante per la costruzione di nuovi modelli teorici e per lo sviluppo di nuove ipotesi sulla natura della materia oscura, offrono indicazioni molto più precise per tracciare l'intricato percorso alla comprensione di uno dei più grandi misteri del cosmo.