Materia oscura: come i buchi neri primordiali possono spiegare un mistero di vecchia data

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Da circa 50 anni la comunità scientifica è alle prese con un grosso problema: non c’è abbastanza materia visibile nell’universo.

Tutta la materia che possiamo vedere – stelle, pianeti, polvere cosmica e tutto ciò che c’è in mezzo – non può spiegare perché l’universo si comporta in un certo modo, e ci dovrebbe essere cinque volte più materia intorno a noi affinché le osservazioni dei ricercatori possano capire. ha senso. Secondo la NASA. Gli scienziati chiamano questa sostanza materia oscura, perché non interagisce con la luce ed è invisibile.

Negli anni ’70, gli astronomi americani Vera Rubin e… Kent Ford scoprì l’esistenza della materia oscura osservando le stelle che orbitano attorno al bordo delle galassie a spirale. Hanno notato che queste stelle si muovevano troppo velocemente per essere tenute insieme dalla materia visibile e dalla gravità della galassia, e avrebbero dovuto invece essere spazzate via. L’unica spiegazione era che ci fosse una grande quantità di materia invisibile a tenere insieme la galassia.

“Quello che vedi in una galassia a spirale” Robin ha detto Al momento, “non è quello che ottieni”. Il suo lavoro si basava su un’ipotesi formulata dall’astronomo svizzero Fritz Zwicky negli anni ’30 e iniziò la ricerca della sfuggente materia.

Da allora, gli scienziati hanno cercato di osservare direttamente la materia oscura e persino di costruirla Grandi elettrodomestici Per scoprirlo, però, finora, non abbiamo avuto fortuna.

All’inizio della ricerca, il famoso fisico britannico Stephen Hawking ipotizzò che la materia oscura potesse nascondersi nei buchi neri – oggetto principale del suo lavoro – formatisi durante il big bang.

Ora, un nuovo studio condotto da ricercatori del MIT ha riportato la teoria sotto i riflettori, rivelando di cosa sono fatti questi buchi neri primordiali e scoprendo potenzialmente un tipo completamente nuovo di buco nero esotico nel processo.

“È stata davvero una bella sorpresa in questo senso”, ha detto David Kaiser, uno degli autori dello studio.

“Stavamo approfittando dei famosi calcoli di Stephen Hawking sui buchi neri, in particolare del suo importante risultato sulla radiazione emessa dai buchi neri”, ha detto Kaiser. “Questi strani buchi neri nascono dal tentativo di affrontare il problema della materia oscura. Sono un sottoprodotto della spiegazione della materia oscura.”

Gli scienziati hanno fatto molte ipotesi su cosa sia la materia oscura, dalle particelle sconosciute alle dimensioni extra. Ma la teoria di Hawking sui buchi neri è entrata in vigore solo di recente.

“La gente non lo prendeva sul serio fino a circa 10 anni fa”, ha detto la coautrice dello studio Elba Alonso Monsalve, una studentessa laureata al MIT. “Questo perché i buchi neri una volta sembravano davvero inverosimili. All’inizio del 1900, la gente pensava che fossero solo un divertente fatto matematico, non solo un fatto fisico.”

Ora sappiamo che quasi ogni galassia contiene un buco nero al centro, hanno scoperto i ricercatori di Einstein Onde gravitazionali Creati dalla collisione dei buchi neri nel 2015 – una scoperta fondamentale – ha dimostrato che sono ovunque.

“In effetti, l’universo è pieno di buchi neri”, ha detto Alonso Monsalve. “Ma non è stata trovata alcuna particella di materia oscura, anche se le persone hanno cercato in tutti i posti in cui si aspettavano di trovarla. Ciò non significa che la materia oscura non sia una particella, o che si tratti sicuramente di buchi neri Ma ora “i buchi neri vengono presi sul serio come candidati alla materia oscura”.

scorso Studi moderni L’ipotesi di Hawking si conferma vera, ma il lavoro di Alonso Monsalvi e Kaiser, professore di fisica e professore di storia della scienza al Germshausen Institute del MIT, fa un ulteriore passo avanti e indaga esattamente cosa è successo quando i buchi neri primordiali si sono formati per la prima volta formato. .

IL Starepubblicato il 6 giugno sulla rivista Physical Review Letters, rivela che questi buchi neri devono essere comparsi nei primi cinque milionesimi di secondo del big bang: “Questo è molto presto, molto prima del momento in cui apparvero protoni e neutroni, ” Ha detto Alonso Monsalve. “Le molecole che compongono tutto si sono formate.”

Ha aggiunto che nel nostro mondo quotidiano non possiamo trovare protoni e neutroni disintegrati, che sono particelle elementari. Sappiamo però che non è così, perché è formato da particelle più piccole chiamate quark, tenute insieme da altre particelle chiamate gluoni.

“Non è possibile trovare quark e gluoni soli e liberi nell’universo adesso, perché fa troppo freddo”, ha aggiunto Alonso Monsalvi. “Ma all’inizio del Big Bang, quando faceva molto caldo, avrebbero potuto essere trovati soli e liberi. Quindi i buchi neri primordiali si formarono dall’assorbimento di quark e gluoni liberi.

Una tale configurazione lo renderebbe radicalmente diverso dai buchi neri astrofisici che gli scienziati sono soliti osservare nell’universo, che sono il risultato del collasso delle stelle. Anche il buco nero primordiale sarebbe molto più piccolo, con solo la massa dell’asteroide, in media, condensata nella dimensione di un atomo. Ma se un numero sufficiente di questi buchi neri primordiali non evaporasse all’inizio del big bang e sopravvivesse fino ai giorni nostri, potrebbero essere responsabili di tutta o della maggior parte della materia oscura.

Secondo lo studio, mentre si formavano i buchi neri primordiali, secondo lo studio deve essersi formato un altro tipo di buco nero invisibile, come una sorta di sottoprodotto. Questo sarebbe stato più piccolo, solo un isolato A unicornocondensato a dimensioni inferiori a quelle di un protone.

Questi minuscoli buchi neri, a causa delle loro piccole dimensioni, sono stati in grado di catturare una proprietà rara e strana della zuppa di quark e gluoni in cui si sono formati, chiamata “carica di colore”. È uno stato di carica limitato a quark e gluoni e non si trova mai negli oggetti ordinari, ha detto Kaiser.

Questa carica di colore lo renderebbe unico tra i buchi neri, che di solito non hanno carica di alcun tipo. “È inevitabile che si siano formati anche questi buchi neri più piccoli, come sottoprodotto (della formazione dei buchi neri primordiali), ma oggi non esisterebbero più, perché sarebbero già evaporati”, ha detto Alonso Monsalve.

Tuttavia, se fosse stato ancora a circa dieci milionesimi di secondo dal big bang, quando si formarono i protoni e i neutroni, avrebbe potuto lasciare impronte osservabili modificando l’equilibrio tra i due tipi di particelle.

“L’equilibrio tra il numero di protoni e il numero di neutroni creati è molto delicato e dipende da quale altra materia era presente nell’universo in quel momento”, ha aggiunto “Se questi buchi neri con cariche colorate fossero ancora in giro, sì potrebbe cambiare l’equilibrio tra protoni e neutroni.” (Per l’uno o per l’altro), il che è appena sufficiente per misurarlo nei prossimi anni”.

La misurazione potrebbe provenire da telescopi terrestri o strumenti sensibili sui satelliti in orbita, ha affermato Kaiser. Ha aggiunto che potrebbe esserci un altro modo per confermare l’esistenza di questi strani buchi neri.

“La formazione di un ammasso di buchi neri è un processo estremamente violento che invierebbe enormi increspature nello spazio-tempo circostante. Queste velocità diminuiranno nel corso della storia cosmica, ma non fino a zero”, ha detto Kaiser dei rilevatori di gravità potrebbero dare un’occhiata.” “Uno scorcio di buchi neri di piccola massa: uno stato esotico della materia che era un sottoprodotto inaspettato di buchi neri più banali che potrebbe spiegare la materia oscura di oggi.”

Cosa significa questo per gli esperimenti in corso che cercano di rilevare la materia oscura, ad es Esperimento sulla materia oscura LZ Nel Sud Dakota?

“L’idea di nuove strane particelle rimane un’ipotesi interessante”, ha detto Kaiser. Esistono altri tipi di grandi esperimenti, alcuni in costruzione, alla ricerca di modi innovativi per rilevare le onde gravitazionali. Questi potrebbero effettivamente captare alcuni segnali vaganti provenienti dal processo di formazione estremamente violento dei buchi neri primordiali.

Alonso Monsalvi ha aggiunto che esiste anche la possibilità che i buchi neri primordiali siano solo una piccola porzione della materia oscura. “Non deve essere necessariamente la stessa cosa”, ha detto. “C’è cinque volte più materia oscura della materia normale, e la materia normale è composta da un insieme di particelle diverse. Allora perché la materia oscura deve essere un tipo di oggetto?”

I buchi neri primordiali hanno riacquistato popolarità con la scoperta delle onde gravitazionali, ma si sa poco della loro formazione, secondo Nico Capellotti, professore assistente presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Miami. Non ha partecipato allo studio.

“Questo lavoro è un’opzione interessante e praticabile per spiegare la sfuggente materia oscura”, ha detto Capellotti.

Lo studio è entusiasmante e suggerisce un nuovo meccanismo per la formazione della prima generazione di buchi neri, ha affermato Priyamvada Natarajan, professore di astronomia e fisica Joseph S. e Sophia S. Fruton alla Yale University. Inoltre non ha partecipato allo studio.

“Tutto l’idrogeno e l’elio presenti nel nostro universo oggi sono stati creati nei primi tre minuti, e se anche allora fossero esistiti abbastanza buchi neri primordiali, avrebbero influenzato quel processo e quegli effetti avrebbero potuto essere rilevabili”, ha detto Natarajan. .

“Il fatto che questa sia un’ipotesi verificabile osservativamente è ciò che trovo davvero interessante, a parte il fatto che ciò suggerisce che la natura probabilmente ha creato i buchi neri fin dai tempi più remoti attraverso percorsi multipli”.