Qual è l'origine dei buchi neri e in che modo questa domanda è collegata a un altro mistero, la natura della materia oscura? La materia oscura comprende la maggior parte della materia nell'Universo, ma la sua natura rimane sconosciuta.

Negli ultimi anni il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha identificato molteplici rilevazioni di onde gravitazionali di buchi neri in fusione. commemorato con il premio Nobel per la fisica 2017 a Kip Thorne, Barry Barish, e Rainer Weiss. Una conferma definitiva dell'esistenza dei buchi neri è stata celebrata con il Nobel per la fisica 2020 assegnato ad Andrea Ghez, Reinhard Genzel e Roger Penrose. La comprensione dell'origine dei buchi neri è quindi emersa come una questione centrale in fisica.

Sorprendentemente, LIGO ha recentemente osservato un candidato buco nero di massa solare 2,6 (evento GW190814, segnalato in Lettere per riviste astrofisiche 896 (2020) 2, L44). Supponendo che questo sia un buco nero, e non una stella di neutroni insolitamente massiccia, Da dove proviene?

I buchi neri di massa solare sono particolarmente intriganti, poiché non sono attesi dall'astrofisica dell'evoluzione stellare convenzionale. Tali buchi neri potrebbero sorgere nell'Universo primordiale (buchi neri primordiali) o essere "trasmutati" da stelle di neutroni esistenti. Alcuni buchi neri potrebbero essersi formati nell'universo primordiale molto prima che si formassero le stelle e le galassie. Tali buchi neri primordiali potrebbero costituire parte o tutta la materia oscura. Se una stella di neutroni cattura un buco nero primordiale, il buco nero consuma la stella di neutroni dall'interno, trasformandolo in un buco nero di massa solare. Questo processo può produrre una popolazione di buchi neri di massa solare, indipendentemente da quanto piccoli siano i buchi neri primordiali. Altre forme di materia oscura possono accumularsi all'interno di una stella di neutroni causandone il collasso finale in un buco nero di massa solare.

Un nuovo studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , avanza un test decisivo per indagare sull'origine dei buchi neri di massa solare. Questo lavoro è stato condotto dal collega Volodymyr Takhistov del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) e il team internazionale includeva George M. Fuller, Illustre Professore di Fisica e Direttore del Centro di Astrofisica e Scienze Spaziali presso l'Università della California, San Diego, così come Alexander Kusenko, Professore di Fisica e Astronomia presso l'Università della California, Los Angeles e un Kavli IPMU Visiting Senior Scientist.

Come lo studio discute (vedi Fig. 1), I buchi neri di massa solare "trasmutati" che rimangono dalle stelle di neutroni divorate dalla materia oscura (sia minuscoli buchi neri primordiali che accumulo di materia oscura di particelle) dovrebbero seguire la distribuzione di massa delle stelle di neutroni originarie. Poiché si prevede che la distribuzione di massa della stella di neutroni raggiunga un picco di circa 1,5 masse solari, è improbabile che buchi neri di massa solare più pesanti abbiano avuto origine dalla materia oscura che interagisce con le stelle di neutroni. Ciò suggerisce che eventi come il candidato rilevato da LIGO, se davvero costituiscono buchi neri, potrebbe essere di origine primordiale dall'Universo primordiale e quindi influenzare drasticamente la nostra comprensione dell'astronomia. Le osservazioni future utilizzeranno questo test per indagare e identificare l'origine dei buchi neri.

In precedenza (vedi Fuller, Kusenko, Takhistov Lettere di revisione fisica 119 (2017) 6, 061101), lo stesso team internazionale di ricercatori ha anche dimostrato che la distruzione delle stelle di neutroni da parte di piccoli buchi neri primordiali può portare a una ricca varietà di firme osservative e può aiutarci a comprendere enigmi astronomici di vecchia data come l'origine di elementi pesanti (ad esempio oro e uranio) e l'eccesso di raggi gamma di 511 keV osservato dal centro della nostra Galassia.