Nuovo vincolo PBH basato su dati COMPTEL (blu scuro), proiezioni della portata della scoperta dei futuri telescopi a raggi gamma MeV (altre curve colorate) e dei vincoli esistenti (regioni grigie ombreggiate). Credito:Coogan et al.
Mentre molti fisici hanno predetto l'esistenza della materia oscura, un tipo di materia che non assorbe, riflettono o emettono luce, finora nessuno è stato in grado di osservarlo sperimentalmente o determinarne la natura fondamentale. Buchi neri primordiali leggeri (PBH), i buchi neri si sono formati nell'universo primordiale, sono tra i candidati più promettenti per la materia oscura. Però, l'esistenza di questi buchi neri non è stata ancora confermata.
I ricercatori dell'Università di Amsterdam e dell'Università della California-Santa Cruz hanno recentemente condotto uno studio volto a migliorare i vincoli esistenti sullo spazio parametrico consentito dei PBH come materia oscura. Nella loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , propongono anche un possibile metodo che potrebbe essere utilizzato per rilevare direttamente la radiazione di Hawking nelle regioni dense di materia oscura e consentire potenzialmente la scoperta della materia oscura PBH.
La radiazione di Hawking è la radiazione termica che Stephen Hawking ha previsto essere emessa spontaneamente dai buchi neri. Si ipotizza che questa radiazione derivi dalla conversione delle fluttuazioni quantistiche del vuoto in coppie di particelle, uno in fuga dal buco nero e l'altro intrappolato all'interno del suo orizzonte degli eventi (cioè, il confine attorno ai buchi neri da cui nessuna luce o radiazione può sfuggire).
"I PBH che comprendono più di una piccola percentuale della materia oscura dovrebbero avere una massa compresa tra circa 10 16 grammi e 10 35 grammi, "Adam Coogan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Su gran parte di quella gamma, varie osservazioni li escludono dal costituire il 100% della materia oscura. Però, c'è un notevole divario nei vincoli:PBH con masse intorno a quella di un asteroide (~10 17 grammi a 10 22 grammi) potrebbe ancora costituire tutta la materia oscura."
L'identificazione di metodi per limitare lo spazio dei parametri consentito dei PBH o rilevare la radiazione di Hawking che emana da essi potrebbe essere un passo importante verso l'osservazione o la scoperta della materia oscura dei PBH. Coogan, in collaborazione con i colleghi Logan Morrison e Stefano Profumo, ha quindi deciso di esaminare il potenziale dei telescopi a raggi gamma MeV come strumenti per rilevare la radiazione di Hawking PBH.
"L'idea principale alla base del nostro lavoro era pensare a un modo particolare di cercare PBH di massa di asteroidi, " Ha spiegato Coogan. "Si prevede che i PBH leggeri emettano radiazioni di Hawking costituite da un mix di fotoni e altre particelle di luce, come elettroni e pioni. I telescopi possono quindi cercare questa radiazione osservando la nostra galassia o altre galassie. L'obiettivo del nostro articolo era capire quanto bene i prossimi telescopi sarebbero stati in grado di osservare questa radiazione e, di conseguenza, quanto spazio del parametro PBH di massa di asteroidi potrebbero sondare".
Durante il tentativo di stimare le masse di PBH che i telescopi emergenti potrebbero aiutare a limitare, Coogan e i suoi colleghi hanno scoperto che studi precedenti non avevano ancora analizzato i dati raccolti dal telescopio COMPTEL, un telescopio a raggi gamma lanciato dalla NASA a bordo del Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Questo dato, però, potrebbe aiutare a limitare l'abbondanza di PBH leggermente al di sotto del divario di massa dell'asteroide (cioè, sotto i 10 17 grammi). Sebbene esistano già dei vincoli in questa gamma di massa grazie alle osservazioni della radiazione di Hawking raccolte da Voyager 1 e dal satellite INTERNATIONAL Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), i nuovi vincoli introdotti dai ricercatori sono risultati essere i più forti fino ad oggi.
"L'input chiave per calcolare i vincoli e fare proiezioni è calcolare lo spettro della radiazione di Hawking prodotta da un singolo PBH, " Ha detto Coogan. "Abbiamo perfezionato questo calcolo rispetto agli strumenti esistenti in letteratura migliorando il modo in cui la radiazione prodotta da elettroni e pioni viene contabilizzata nello spettro. Il resto dei calcoli è abbastanza tipico per le ricerche sulla materia oscura".
Supponendo che i PBH di una massa specifica costituiscano una data frazione della materia oscura totale nello spazio, i calcoli effettuati da Coogan e dai suoi colleghi permetterebbero ai ricercatori di calcolare il loro contributo allo spettro dei fotoni emessi da un oggetto astrofisico che si ritiene contenga una notevole quantità di materia oscura, come il centro della Via Lattea. Se lo spettro stimato da questi calcoli fosse molto più luminoso dello spettro osservato, ad esempio, si potrebbe escludere la possibilità che i PBH di quella massa specifica costituiscano una frazione specifica di materia oscura.
"Fare proiezioni per le prestazioni dei futuri telescopi segue linee simili, sebbene non ci sia uno spettro osservato con cui confrontare, " ha spiegato Coogan. "In questo caso, lo spettro dei fotoni emessi dai PBH viene confrontato con un modello per lo sfondo astrofisico atteso dei fotoni".
Il recente studio di Coogan, Morrison e Profumo hanno fissato i vincoli più forti fino ad oggi sui PBH a bassa massa, utilizzando i dati raccolti come parte di un esperimento che è stato completato 20 anni fa. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che i prossimi telescopi in grado di osservare i raggi gamma di energia MeV potrebbero aiutare a sondare i PBH di massa di asteroidi, che è una parte molto difficile da sondare nello spazio dei parametri PBH.
"La comunità astronomica ha preso in considerazione diverse proposte per tali telescopi negli ultimi anni e penso che il nostro articolo fornisca un'altra solida motivazione per costruirli, " Ha aggiunto Coogan. "A parte i PBH, abbiamo studiato come i prossimi telescopi a raggi gamma MeV potrebbero sondare diversi modelli di materia oscura particellare. Di recente abbiamo terminato un altro articolo in cui abbiamo calcolato gli spettri dei raggi gamma per alcuni particolari modelli di questo tipo e stiamo lavorando con altri collaboratori per perfezionare questi calcoli".
Coogan, Morrison e Profumo hanno recentemente collaborato anche con Alexander Moiseev, un ricercatore presso la NASA, che sta sviluppando un telescopio chiamato Galactic Explorer con un telescopio Compton Coded Aperture Mask (GECCO). Insieme a Moiseev, hanno cercato di mappare i modi in cui GECCO potrebbe aiutare la ricerca della materia oscura.
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