Il telescopio romano cerca i buchi neri primordiali

NASANancy Grazia Telescopio spaziale romano Potrebbe rivelare buchi neri “peso piuma” precedentemente non rilevati che hanno masse simili a quelle della Terra. Questi buchi neri primordiali, formatisi all’inizio dell’universo, potrebbero avere un grande impatto sulla nostra comprensione dell’astronomia e della fisica delle particelle, spiegando potenzialmente parte della materia oscura nell’universo.

Gli astronomi hanno scoperto buchi neri con masse che vanno da poche volte la massa del Sole a decine di miliardi. Ora un gruppo di scienziati ha previsto che il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA sarà in grado di trovare una classe di buchi neri “peso piuma” che finora è sfuggito alla scoperta.

Oggi i buchi neri si formano quando una stella massiccia collassa o quando oggetti massicci si fondono. Tuttavia, gli scienziati sospettano che i buchi neri “primordiali” più piccoli, inclusi alcuni con masse simili a quelle della Terra, potrebbero essersi formati nei primi momenti caotici dell’universo primordiale.

“La scoperta di una popolazione di buchi neri primordiali di massa terrestre sarebbe un passo straordinario sia per l’astronomia che per la fisica delle particelle perché questi oggetti non potrebbero essersi formati attraverso alcun processo fisico conosciuto”, ha affermato William DiRocco, ricercatore post-dottorato presso l’UC Santa Fe. Cruz che ha condotto uno studio su come i romani li rilevavano. Un documento che descrive i risultati È stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica d. “Se li troviamo, sconvolgerà il campo della fisica teorica”.

La scoperta di buchi neri primordiali di massa terrestre utilizzando il telescopio spaziale romano della NASA potrebbe cambiare la nostra comprensione dell’universo e della materia oscura. Fonte: Centro di volo spaziale Goddard della NASA

La ricetta del buco nero primordiale

I buchi neri più piccoli che si formano oggi nascono quando una stella massiccia esaurisce il carburante. La sua pressione esterna diminuisce man mano che la fusione nucleare diminuisce, quindi la gravità interna vince il tiro alla fune. La stella si sta contraendo e potrebbe diventare così densa da diventare… Buco nero.

Ma è richiesta una massa minima: almeno otto volte la massa del nostro Sole. Le stelle più leggere si trasformeranno in nane bianche o stelle di neutroni.

Tuttavia, le condizioni dell’universo primordiale potrebbero aver consentito la formazione di buchi neri molto più leggeri. Una persona che pesa la massa della Terra avrebbe un orizzonte degli eventi – il punto di non ritorno per gli oggetti in caduta – che è all’incirca largo quanto un centesimo americano.

Proprio quando l’universo è nato, gli scienziati ritengono che abbia attraversato una fase breve ma intensa nota come inflazione, quando lo spazio si è espanso più velocemente della velocità della luce. In queste condizioni speciali, regioni più dense delle regioni circostanti potrebbero essere collassate per formare buchi neri primordiali di piccola massa.

Mentre la teoria prevede che i più piccoli dovrebbero evaporare prima che l’universo raggiunga l’età attuale, quelli con masse simili a quelle della Terra sarebbero sopravvissuti.

La scoperta di questi piccoli oggetti avrà un enorme impatto sulla fisica e sull’astronomia.

“Ciò influenzerà tutto, dalla formazione delle galassie al contenuto di materia oscura dell’universo fino alla storia cosmica”, ha detto Kailash Sahu, un astronomo dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, che non è stato coinvolto nello studio. “Confermare la loro identità sarà un lavoro duro e gli astronomi avranno bisogno di molto lavoro di convincimento, ma ne varrà la pena”.

Stephen Hawking ipotizzò che i buchi neri potessero contrarsi lentamente quando la radiazione fuoriesce. La lenta fuoriuscita di quella che oggi è conosciuta come radiazione di Hawking, nel tempo, farà semplicemente evaporare il buco nero. Questa infografica mostra le vite stimate e gli orizzonti degli eventi – il punto oltre il quale gli oggetti che cadono non possono più sfuggire alla presa gravitazionale di un buco nero – e i diametri dei buchi neri di diverse piccole masse. Fonte: Centro di volo spaziale Goddard della NASA

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Le osservazioni hanno già rivelato prove che tali oggetti potrebbero essere in agguato nella nostra galassia. I buchi neri primordiali possono essere invisibili, ma le rughe nello spazio-tempo hanno contribuito a catturare alcuni potenziali sospetti.

Il microlensing è un effetto osservativo causato dalla presenza di massa che distorce il tessuto dello spazio-tempo, come l’impronta lasciata da una palla da bowling quando viene posizionata su un trampolino. Ogni volta che un oggetto sembra avvicinarsi a una stella sullo sfondo dalla nostra prospettiva, la luce della stella deve attraversare lo spazio-tempo deformato attorno all’oggetto. Se l’allineamento è particolarmente ravvicinato, l’oggetto può agire come una lente naturale, focalizzando e amplificando la luce della stella sullo sfondo.

Gruppi separati di astronomi lo hanno trovato utilizzando i dati di MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – una collaborazione che conduce osservazioni di microlente utilizzando l’Osservatorio della Mount John University in Nuova Zelanda – e OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Un numero inaspettatamente elevato di oggetti isolati di massa terrestre.

Le teorie sulla formazione e sull’evoluzione planetaria prevedono determinate masse e abbondanze di pianeti canaglia, mondi che vagano per la galassia senza legami con una stella. Le osservazioni MOA e OGLE indicano che ci sono più oggetti di massa terrestre alla deriva attraverso la galassia di quanto previsto dai modelli.

Il concetto di questo artista adotta un approccio fantasy per immaginare piccoli buchi neri primordiali. Infatti, buchi neri così piccoli avrebbero difficoltà a formare i dischi di accrescimento che li rendono visibili qui. Fonte: Centro di volo spaziale Goddard della NASA

“Non c’è modo di distinguere caso per caso tra buchi neri di massa terrestre e pianeti canaglia”, ha detto DiRocco. Ma gli scienziati si aspettano che Roman trovi un numero di oggetti in questo intervallo di massa dieci volte più grandi dei telescopi terrestri. “Roman sarebbe molto potente nel distinguere statisticamente tra i due.”

DiRocco ha guidato gli sforzi per determinare quanti pianeti canaglia dovrebbero trovarsi in questo intervallo di massa e quanti buchi neri primordiali i romani potrebbero distinguere tra loro.

La scoperta di buchi neri primordiali rivelerebbe nuove informazioni sull’universo primordiale e suggerirebbe fortemente che un primo periodo di inflazione si fosse già verificato. Potrebbe anche spiegare una piccola percentuale della misteriosa materia oscura che secondo gli scienziati costituisce la maggior parte della massa dell’universo, ma che non sono ancora stati in grado di identificare.

“Questo è un esempio entusiasmante di qualcosa che più scienziati possono fare con i dati che Roman avrà già durante la sua ricerca planetaria”, ha detto Sahu. “I risultati sono interessanti indipendentemente dal fatto che gli scienziati trovino o meno prove di buchi neri di massa terrestre. In ogni caso, migliorerebbe la nostra comprensione dell’universo”.

Riferimento: “Detecting Earth-mass primordial blackholes using the Nancy Grace Roman Space Telescope” di William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo e Nolan Smith, 8 gennaio 2024, Revisione fisica d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

Il telescopio spaziale romano Nancy Grace è gestito presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, con la partecipazione del Jet Propulsion Laboratory della NASA, del Caltech/IPAC nel sud della California, dello Space Telescope Science Institute di Baltimora e di un team scientifico che comprende scienziati provenienti da Intorno al mondo. Istituti di ricerca. I principali partner industriali sono BAE Systems, Inc. di Boulder, Colorado; L3Harris Technologies a Rochester, New York; e Teledyne Scientific & Imaging a Thousand Oaks, California.