Una recente ricerca esplora il potenziale del telescopio spaziale romano Nancy Grace per rilevare buchi neri primordiali di massa terrestre, una classe teorica di buchi neri che si ritiene si sia formata durante la rapida inflazione dell’universo primordiale. Questi risultati potrebbero confermare le teorie dell’inflazione cosmica e suggerire che i buchi neri primordiali contribuiscono alla materia oscura, il che avrebbe un profondo impatto sulla nostra comprensione della formazione delle galassie e della storia dell’universo. Credito: Issues.fr.com
Nuovi studi suggeriscono la Nancy Grace Telescopio spaziale romano potrebbero rilevare buchi neri primordiali nell’universo primordiale, confermando potenzialmente il loro ruolo nell’inflazione cosmica e come componenti della materia oscura.
Quando gli astrofisici osservano il cosmo, vedono diversi tipi di buchi neri. Si va dai giganteschi buchi neri supermassicci con miliardi di masse solari ai buchi neri di massa intermedia (IMBH) difficili da trovare fino ai buchi neri di massa stellare più piccoli.
Ma potrebbe esserci un’altra classe di questi oggetti: i buchi neri primordiali (PBH) che si sono formati all’inizio dell’Universo. Se esistono, il telescopio spaziale romano Nancy Grace dovrebbe essere in grado di individuarli.
Il concetto di questo artista adotta un approccio stravagante nell’immaginare piccoli buchi neri primordiali. In realtà, buchi neri così piccoli avrebbero difficoltà a formare i dischi di accrescimento che li rendono visibili qui. Credito: NASACentro di volo spaziale Goddard
Formazione di buchi neri
I buchi neri di massa stellare si formano quando stelle massicce esplodono come supernove. Gli SMBH crescono nel tempo fondendosi con altri buchi neri. Il modo in cui si formano gli IMBH non è ancora chiaro, ma potrebbe comportare fusioni tra buchi neri di massa stellare o collisioni stellari multiple in densi ammassi stellari.
I buchi neri primordiali, se esistono, non avevano nessuno di questi meccanismi.
“Se li troviamo, sconvolgerà il campo della fisica teorica. »
— William DeRocco, ricercatore post-dottorato, Università della California Santa Cruz.
Rappresentazione artistica delle fusioni binarie di buchi neri. Quando si fondono, emettono onde gravitazionali che osservatori come LIGO possono rilevare. Credito: LIGO/A. Simonnet
Fisica teorica e telescopio spaziale romano
Nessuno sa se esistano i buchi neri primordiali. Sono teorici. Nessun processo fisico che conosciamo può formarli. Ma l’Universo primordiale era molto diverso.
Nuova ricerca pubblicata in Esame fisico D mostra come il prossimo telescopio romano di Nancy Grace potrebbe rilevare questi oggetti primordiali di massa terrestre. Si intitola “Rivelare i buchi neri primordiali di massa terrestre con il telescopio spaziale romano Nancy Grace”. L’autore principale è William DeRocco, ricercatore post-dottorato presso l’Università della California, Santa Cruz.
“Rilevare una popolazione di buchi neri primordiali di massa terrestre sarebbe una pietra miliare incredibile sia per l’astronomia che per la fisica delle particelle, perché questi oggetti non possono essere formati da nessun processo fisico conosciuto”, ha affermato l’autore principale DeRocco. “Se li troviamo, sconvolgerà il campo della fisica teorica. »
I PBH potrebbero essersi formati quando regioni eccessivamente dense dell’universo inflazionistico o dominato dalle radiazioni sono collassate. Credito: Gema White
Condizioni del primo universo
Nell’Universo moderno, solo le stelle con almeno otto masse stellari possono diventare buchi neri. Le stelle meno massicce diventeranno stelle di neutroni o nane bianche. (Il Sole diventerà a Nana bianca.)
Ma all’inizio dell’Universo le cose erano diverse. Durante un periodo di rapida inflazione, lo spazio si espandeva più velocemente della velocità della luce. In queste condizioni insolite, le aree dense potrebbero essere collassate in PBH. La scala di questi oggetti è notevolmente piccola. Avrebbero le dimensioni della Terra o più piccole e avrebbero orizzonti degli eventi larghi quanto una moneta.
Quelli meno massicci sarebbero scomparsi a causa dell’evaporazione. Questo è ciò che Stephen Hawking ha capito. Ma alcuni, massicci quanto la Terra, avrebbero potuto sopravvivere.
Stephen Hawking ha avuto l’idea dell’evaporazione del buco nero. Ha ipotizzato che i buchi neri si restringano lentamente man mano che la radiazione fuoriesce. La lenta fuga di quella che oggi viene chiamata radiazione di Hawking, nel tempo, causerebbe semplicemente l’evaporazione del buco nero. Questa infografica mostra la durata stimata e l’orizzonte degli eventi – il punto oltre il quale gli oggetti che cadono non possono sfuggire alla presa gravitazionale di un buco nero – i diametri dei buchi neri di varie piccole masse. Credito: NASA Goddard Space Flight Center
Il ruolo del microlensing nel rilevamento dei buchi neri
Anche se sono teorici, ci sono indizi della loro presenza. Questi indizi provengono dalla microlente gravitazionale.
Due sforzi hanno utilizzato il microlente per studiare gli oggetti nell’Universo. Uno di questi è OGLE, il Gravitational Optical Lensing Experiment. Un altro è MOA, Microlensing Observations in Astrophysicals. OGLE ha trovato 17 oggetti isolati di massa terrestre nello spazio.
Questi oggetti potrebbero essere PBH o pianeti canaglia. Purtroppo è molto difficile fare una distinzione su base individuale. Ma poiché la teoria prevede la massa e l’abbondanza dei pianeti canaglia, potrebbe consentire al telescopio romano di distinguerli dai PBH.
Il pianeta OGLE-2012-BLG-0950Lb è stato rilevato utilizzando la microlente gravitazionale, un fenomeno che agisce come una lente d’ingrandimento della natura. Credito: LCO/D. Bennet
“Non c’è modo di distinguere caso per caso i buchi neri terrestri dai pianeti canaglia”, ha detto DeRocco. “Roman sarà estremamente potente nel differenziare statisticamente i due. »
Nel loro studio, gli autori spiegano questo fenomeno in modo più dettagliato. “Il punto chiave è che, sebbene gli eventi PBH e FFP non possano essere differenziati evento per evento, le due popolazioni possono essere distinte in base alla distribuzione statistica della durata degli eventi. “Gli scienziati ritengono che Roman troverà 10 volte più oggetti in questo intervallo di massa rispetto agli sforzi terrestri come OGLE e MOA.
L’impatto della scoperta dei buchi neri primordiali
Trovare buchi neri primordiali creerebbe un grande sconvolgimento.
“Ciò influenzerebbe tutto, dalla formazione delle galassie al contenuto di materia oscura dell’universo, alla storia cosmica”, ha detto Kailash Sahu, un astronomo dello Space Telescope Science Institute di Baltimora. Sahu non è stato coinvolto nella ricerca ma comprende l’impatto che i risultati avrebbero. “Confermare la loro identità sarà un lavoro duro e gli astronomi avranno bisogno di molti sforzi per convincerli, ma ne varrebbe la pena. »
Se il telescopio spaziale romano riuscisse a rilevare e confermare i buchi neri, potrebbe segnare un momento decisivo nella storia dell’astronomia. Questa scoperta fornirebbe una prova evidente di un periodo di rapida inflazione nell’Universo primordiale, un’era che non è stata ancora dimostrata. I fisici pensano che debba esserci stato un periodo come questo, perché aiuta a spiegare molte altre cose sull’Universo.
Buchi neri primordiali e materia oscura
Ancora più interessante, questi buchi neri primordiali potrebbero contenere una percentuale di materia oscura. Una piccola percentuale, ma un notevole miglioramento rispetto alla nostra attuale comprensione di cosa sia la materia oscura. Gli scienziati continuano a cercare cose come le WIMP (particelle massicce a interazione debole) e altre particelle che potrebbero essere materia oscura, ma non le trovano mai.
“La natura della materia oscura rimane una delle domande più urgenti della fisica fondamentale. Sebbene molte prove convincenti indichino la sua esistenza, la sua natura microfisica rimane sconosciuta”, spiegano gli autori.
La cosa bella di Roman e PBH è che non sarà necessario alcuno sforzo particolare per trovarli. Roman sta già cercando i pianeti. “Si prevede che il Galactic Bulge Time Domain Survey di Roman osserverà centinaia di eventi di microlente di piccola massa, consentendo una solida caratterizzazione statistica di questa popolazione”, scrivono gli autori nel loro articolo.
Il Nancy Grace Roman Space Telescope è un osservatorio della NASA progettato per svelare i segreti dell’energia oscura e della materia oscura, cercare e fotografare esopianeti ed esplorare molti argomenti nell’astrofisica dell’infrarosso. Credito: NASA
La missione più ampia del telescopio spaziale romano
Ogni telescopio spaziale che lanciamo è una nuova finestra su qualche aspetto dell’Universo. Il telescopio spaziale romano Nancy Grace lo farà sicuramente. “Mentre il suo studio nel dominio del tempo del Rigonfiamento Galattico prende di mira sia gli esopianeti legati che quelli non legati, abbiamo dimostrato che avrà anche una sensibilità senza precedenti alla fisica oltre il Modello Standard”, scrivono DeRocco e i co-investigatori nel loro articolo. Questo perché può “sondare la frazione di materia oscura composta da buchi neri primordiali”, scrivono.
“Questo è un esempio entusiasmante di qualcosa che altri scienziati potrebbero fare con i dati che Roman sta già ottenendo nella sua ricerca di pianeti”, ha detto Sahu. “E i risultati sono interessanti indipendentemente dal fatto che gli scienziati trovino o meno prove dell’esistenza di buchi neri di massa terrestre. In ogni caso, rafforzerebbe la nostra comprensione dell’universo.
E chi non desidera una migliore comprensione dell’Universo?
Adattato da un articolo originariamente pubblicato su Universe Today.
