I buchi neri primordiali creati nei primi istanti dopo il Big Bang, piccolissimi più piccoli della punta di uno spillo e supermassicci che coprono miliardi di miglia, possono spiegare tutta la materia oscura nell'universo.

Questa è l'implicazione di un nuovo modello dell'universo primordiale creato dagli astrofisici di Yale, dall'Università di Miami e dall'Agenzia spaziale europea (ESA). Se dimostrata vera con i dati del telescopio spaziale James Webb di prossima uscita, la scoperta trasformerebbe la comprensione degli scienziati delle origini e della natura sia della materia oscura che dei buchi neri.

Si pensa che la materia oscura, che non è mai stata osservata direttamente, costituisca la maggior parte della materia nell'universo e agisca come l'impalcatura invisibile su cui si formano e si sviluppano le galassie. I fisici hanno passato anni a testare una varietà di candidati alla materia oscura, comprese ipotetiche particelle come neutrini sterili, particelle massicce a interazioni deboli (WIMPS) e assioni.

Sono stati invece osservati buchi neri. Un buco nero è un punto nello spazio in cui la materia è così compattata da creare un'intensa gravità. Nemmeno la luce può resistere alla sua attrazione. I buchi neri si trovano al centro della maggior parte delle galassie.

Il nuovo studio, accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal , si rifà a una teoria proposta per la prima volta negli anni '70 dai fisici Stephen Hawking e Bernard Carr. A quel tempo, Hawking e Carr sostenevano che nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, minuscole fluttuazioni nella densità dell'universo potrebbero aver creato un paesaggio ondulato con regioni "grumose" che avevano massa extra. Queste aree bitorzolute crollerebbero in buchi neri.

Sebbene la teoria non abbia avuto successo all'interno della più ampia comunità scientifica, il nuovo studio suggerisce che, se leggermente modificata, dopotutto potrebbe avere un potere esplicativo.

Se la maggior parte dei buchi neri primordiali "nasce" a una dimensione di circa 1,4 volte la massa del Sole terrestre, potrebbero potenzialmente spiegare tutta la materia oscura, ha affermato Priyamvada Natarajan, professore di astronomia e fisica a Yale, teorico dell'articolo.

Natarajan e i suoi colleghi affermano che il loro nuovo modello mostra che le prime stelle e galassie si sarebbero formate attorno ai buchi neri nell'universo primordiale. Inoltre, ha detto, i buchi neri primordiali avrebbero avuto la capacità di trasformarsi in buchi neri supermassicci banchettando con gas e stelle nelle loro vicinanze, o fondendosi con altri buchi neri.

"I buchi neri primordiali, se esistono, potrebbero benissimo essere i semi da cui si formano tutti i buchi neri supermassicci, compreso quello al centro della Via Lattea", ha detto Natarajan.

"Quello che trovo personalmente super eccitante di questa idea è come unisca elegantemente i due problemi davvero impegnativi su cui lavoro - quello di sondare la natura della materia oscura e la formazione e la crescita dei buchi neri - e li risolva in un colpo solo, " ha aggiunto.

La missione del telescopio James Webb sarà trovare le prime galassie che si sono formate nell'universo primordiale e vedere le stelle che formano i sistemi planetari.

Il primo autore del nuovo studio è Nico Cappelluti, un ex borsista post-dottorato dello Yale Center for Astronomy &Astrophysics Prize che ora è assistente professore di fisica all'Università di Miami. Günther Hasinger, direttore scientifico dell'ESA, è il secondo autore dello studio.

"Il nostro studio mostra che senza introdurre nuove particelle o nuova fisica, possiamo risolvere i misteri della cosmologia moderna, dalla natura della materia oscura stessa all'origine dei buchi neri supermassicci", ha affermato Cappelluti.

I buchi neri primordiali possono anche risolvere un altro enigma cosmologico:l'eccesso di radiazione infrarossa, sincronizzata con la radiazione di raggi X, che è stata rilevata da sorgenti lontane e deboli sparse per l'universo. Natarajan e i suoi colleghi hanno affermato che i buchi neri primordiali in crescita presenterebbero "esattamente" la stessa firma di radiazione.

Soprattutto, l'esistenza di buchi neri primordiali può essere dimostrata, o smentita, nel prossimo futuro, per gentile concessione del telescopio spaziale James Webb e della missione LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dell'ESA, annunciata per gli anni '30.

Se la materia oscura fosse composta da buchi neri primordiali, intorno a loro si sarebbero formate più stelle e galassie nell'universo primordiale, esattamente l'epoca che il telescopio James Webb sarà in grado di vedere. LISA, nel frattempo, sarà in grado di captare i segnali delle onde gravitazionali dalle prime fusioni di buchi neri primordiali.

"Se le prime stelle e galassie si sono già formate nei cosiddetti 'secoli bui', Webb dovrebbe essere in grado di vederne le prove", ha detto Hasinger.

Natarajan ha aggiunto:"È stato irresistibile esplorare a fondo questa idea, sapendo che aveva il potenziale per essere convalidata abbastanza presto".