Collegare le origini della materia oscura e dei buchi neri giganti

Lo spazio ospita misteriosi giganti: buchi neri che sono cresciuti più grandi e più velocemente di quanto gli scienziati si aspettino. La formazione di questi colossi potrebbe condividere una radice comune con un altro mistero cosmico, la materia oscura, secondo uno studio recente.

Gli astrofisici sanno che la morte violenta delle stelle può formare buchi neri tipicamente fino a decine di volte la massa del sole. Eppure gli astronomi hanno visto buchi neri che sono miliardi di masse solari, dice Hooman Davoudiasl, fisico teorico delle particelle al Brookhaven National Laboratory di New York e autore dello studio pubblicato il mese scorso su Lettere di revisione fisica. Inoltre, ci sono prove che questi “giganti” esistono dal primo miliardo di anni di storia dell’universo.

Sebbene i buchi neri crescano nel tempo assorbendo stelle o combinandosi tra loro, gli scienziati non sono sicuri di come alcuni dei più grandi buchi neri possano avere abbastanza stelle per raggiungere le loro dimensioni così rapidamente, all’incirca entro il primo 10 percento della storia dell’universo.

Una possibile spiegazione è che questi buchi neri siano primordiali, nel senso che si sono formati nell’universo primordiale e sono anteriori alle prime stelle, dice Davoudiasl. Allora, l’universo era molto più caldo e denso, circa la temperatura del nucleo del sole.

Il fatto che l’universo primordiale abbia subito un rapido cambiamento è la chiave della teoria del gruppo, afferma Julia Gehrlein, fisica del Brookhaven National Laboratory e un’altra autrice dello studio.

Questo cambiamento, che chiamano transizione di fase, ha reso più probabile il collasso delle regioni più dense dell’universo primordiale in buchi neri. È un po’ come la fase delle transizioni che vediamo negli stati della materia – per esempio, l’acqua liquida sta diventando un gas, dice Gehrlein. “L’acqua si comporta in modo diverso prima e dopo la transizione di fase”, dice, e lo stesso vale per le particelle nell’universo primordiale.

Quella transizione sarebbe stata un “evento turbolento e violento” che potrebbe creare onde gravitazionali, dice Davoudiasl.

Sarebbe successo in quello che gli scienziati chiamano il “settore oscuro”, cioè tra la materia oscura e altre particelle che non possiamo osservare direttamente. Il settore oscuro significa qualsiasi cosa al di fuori delle “particelle modello standard che conosciamo”, che costituiscono gli atomi, afferma Gehrlein.

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Se e come si sia verificata la formazione primordiale del buco nero è alquanto controverso tra gli scienziati. Una transizione di fase avrebbe consentito ad alcune dense sacche dell’universo di collassare in buchi neri supermassicci primordiali, afferma Gehrlein. Altri gruppi hanno studiato le implicazioni di questo tipo di transizione, ma questo studio è il primo a collegare insieme i buchi neri supermassicci e la materia oscura in questo modo, dice.

“Potremmo collegare la massa del nostro candidato alla materia oscura e la massa di questi buchi neri tra loro perché entrambi dipendono dalla temperatura alla quale si verifica questa transizione”, afferma Gehrlein. Una temperatura alla pari con il nucleo del nostro sole sembra funzionare bene con una teoria sulla formazione della materia oscura ultraleggera e quella dei buchi neri primordiali.

Nel frattempo, la transizione di fase potrebbe anche aver portato all’esistenza di particelle di materia oscura ultraleggere, particelle che sarebbero solo una minuscola frazione della massa di un neutrino, che è la particella più leggera conosciuta.

È possibile che il mistero che circonda la crescita del buco nero e il motivo per cui abbiamo la materia oscura siano “due facce della stessa medaglia”, afferma Davoudiasl. Se “questo evento, questa transizione di fase avvenuta a quella temperatura, avesse dato origine a questi buchi neri supermassicci”, dice, avrebbe “fornito gli ingredienti giusti” per formare anche particelle di materia oscura ultraleggera.

Sia la formazione di buchi neri supermassicci che la natura della materia oscura “appartengono alle questioni aperte più urgenti nell’astronomia e nella fisica contemporanea”, afferma Tanja Rindler-Daller, un’astronoma dell’Università di Vienna che non è stata coinvolta nello studio.

“Qualsiasi modello che possa spiegare in modo convincente entrambi in un colpo solo sarebbe sicuramente rivoluzionario”, dato che si rivela in realtà, dice Rindler-Daller.

I ricercatori possono cercare segni per provare o smentire la teoria in due modi principali, dice Gehrlein. Possono provare a capire se esiste materia oscura ultraleggera, studiando l’effetto delle particelle sull’astrofisica delle galassie. È anche possibile che i ricercatori possano misurare le onde gravitazionali prodotte durante l’universo primordiale. Utilizzando futuri rivelatori, a frequenze diverse da quelle rilevate dall’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o LIGO, i ricercatori potrebbero intravedere le increspature di questi tempi turbolenti dell’universo primordiale.

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