La caccia ai mini buchi neri mancanti lasciati dal Big Bang potrebbe essere sul punto di intensificarsi.
Proprio quando la traiettoria di questi minuscoli buchi neri sembra essersi raffreddata, un team internazionale di scienziati ha trovato prove nella fisica quantistica che potrebbero riaprire il caso. Uno dei motivi per cui la ricerca dei cosiddetti buchi neri primordiali è urgente è che sono stati proposti come potenziali candidati per la materia oscura.
La materia oscura costituisce l’85% della massa dell’universo, ma non interagisce con la luce come fa la materia quotidiana. Questa è la sostanza degli atomi che costituisce le stelle, i pianeti, le lune e i nostri corpi. Tuttavia, la materia oscura interagisce con la gravità e questo effetto può verificarsi impatto “Materia ordinaria” e luce. Perfetto per il lavoro di detective cosmico.
Se i buchi neri del Big Bang esistessero, sarebbero molto piccoli – alcuni piccoli quanto un centesimo – e quindi avrebbero masse pari a quelle degli asteroidi o dei pianeti. Tuttavia, come le loro controparti più grandi, i buchi neri di massa stellare, che possono essere da 10 a 100 volte la massa del Sole, i buchi neri supermassicci, che possono essere milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole, e i mini buchi neri. del sole . L’alba dei tempi sarà circondata da una superficie che intrappola la luce chiamata orizzonte degli eventi. L’orizzonte degli eventi impedisce ai buchi neri di emettere o riflettere la luce, rendendo i piccoli buchi neri primordiali dei forti candidati per la materia oscura. Potrebbero essere abbastanza piccoli da non essere notati da nessuno, ma abbastanza potenti da influenzare lo spazio.
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Il team di scienziati – del Centro di ricerca per l’universo primordiale (RESCEU) e dell’Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell’universo (Kavli IPMU, WPI) dell’Università di Tokyo – ha applicato un quadro teorico che combina la teoria dei campi classica e La teoria di Einstein. Teoria della relatività e meccanica quantistica per l’universo primordiale. Quest’ultimo spiega il comportamento di particelle come elettroni e quark e porta a quella che viene chiamata teoria quantistica dei campi (QFT).
L’applicazione della QFT all’universo nascente ha portato il team a credere che ci siano molti meno ipotetici buchi neri primordiali nell’universo di quanto molti modelli attualmente stimano. Se così fosse, si escluderebbe del tutto l’esistenza dei buchi neri primordiali come materia oscura.
“Li chiamiamo buchi neri primordiali e molti ricercatori ritengono che siano ottimi candidati per la materia oscura, ma ce ne dovrebbero essere molti per soddisfare questa teoria”, ha detto Jason Christiano, uno studente laureato dell’Università di Tokyo. Lo ha detto in un comunicato. “È interessante anche per altri motivi. Dopo la recente innovazione nell’astronomia delle onde gravitazionali, ci sono state scoperte di fusioni binarie di buchi neri, che potrebbero essere spiegate se i buchi neri primordiali esistono in gran numero.
“Ma nonostante queste potenti ragioni per la loro prevista abbondanza, non ne abbiamo visto nessuno direttamente, e ora abbiamo un modello che dovrebbe spiegare perché ciò accade.”
Torna al Big Bang per cercare i buchi neri primordiali
I modelli più accreditati in cosmologia suggeriscono che l’universo ebbe inizio circa 13,8 miliardi di anni fa durante un periodo iniziale di rapida inflazione: il Big Bang.
Dopo che le prime particelle apparvero nell’universo durante questa espansione iniziale, lo spazio alla fine divenne abbastanza freddo da permettere a elettroni e protoni di legarsi e formare i primi atomi. Fu allora che nacque l’elemento idrogeno. Inoltre, prima che avvenisse questo raffreddamento, la luce non era in grado di viaggiare attraverso l’universo. Questo perché gli elettroni diffondono all’infinito i fotoni, che sono particelle di luce. Pertanto, durante questi secoli bui, l’universo era essenzialmente oscuro.
Tuttavia, una volta che gli elettroni liberi poterono legarsi ai protoni e smettere di rimbalzare, la luce fu finalmente in grado di viaggiare liberamente. Dopo questo evento, chiamato “ultima dispersione”, e durante il periodo successivo noto come “era della reionizzazione”, l’universo divenne immediatamente trasparente alla luce. La prima luce che brillò attraverso l’universo in questo momento può ancora essere vista oggi come un campo di radiazione per lo più uniforme, un “fossile” globale chiamato fondo cosmico a microonde, o CMB.
Nel frattempo, gli atomi di idrogeno che si crearono formarono le prime stelle, le prime galassie e i primi ammassi di galassie. Certamente, alcune galassie sembrano avere più massa di quella che i loro componenti visibili possono spiegare, e questo eccesso è attribuito esclusivamente alla materia oscura.
Mentre i buchi neri di massa stellare si formano dal collasso e dalla morte di stelle massicce, e i buchi neri supermassicci crescono da successive fusioni di buchi neri più piccoli, i buchi neri primordiali sono antecedenti alle stelle, quindi devono avere un’origine unica.
Alcuni scienziati ritengono che le condizioni nell’universo primordiale, caldo e denso, fossero tali che porzioni più piccole di materia potessero collassare sotto la loro stessa gravità per dare vita a questi minuscoli buchi neri, con un orizzonte degli eventi non più largo di un centesimo, o forse più piccolo di un protone. , dipendente. Bloccateli.
Il team dietro questa ricerca aveva precedentemente esaminato modelli di buchi neri primordiali nell’universo primordiale, ma questi modelli non si adattavano alle osservazioni della CMB. Per correggere questo, gli scienziati hanno applicato correzioni alla teoria principale della formazione del buco nero primordiale. Correzioni riportate da QFT.
“All’inizio, l’universo era incredibilmente piccolo, molto più piccolo delle dimensioni di un singolo atomo. L’inflazione cosmica si espanse rapidamente di 25 ordini di grandezza”, hanno affermato nella dichiarazione Jun’ichi Yokoyama, direttore dell’IPMU di Kavli e di RESCEU. “A quel tempo, le onde che viaggiavano attraverso uno spazio così piccolo avrebbero avuto ampiezze relativamente grandi ma lunghezze d’onda molto corte”.
Il team ha scoperto che queste onde piccole ma potenti possono subire un’amplificazione per diventare onde molto più grandi e lunghe, che è ciò che gli astronomi vedono nell’attuale CMB. Il team ritiene che questa amplificazione sia il risultato della coerenza tra le prime onde corte, che può essere spiegata utilizzando la QFT.
“Mentre le singole onde corte sarebbero relativamente impotenti, i gruppi coesi avrebbero la capacità di riformare onde molto più grandi di loro”, ha detto Yokoyama. “Questo è un raro esempio in cui una teoria di qualcosa su una scala estrema sembra spiegare qualcosa sull’altra estremità della scala.”
Se la teoria del team secondo cui le fluttuazioni precoci e su piccola scala dell’universo potrebbero crescere e influenzare le fluttuazioni su larga scala della CMB è corretta, ciò influenzerebbe il modo in cui crescono le strutture nell’universo. Misurare le fluttuazioni della CMB può aiutare a limitare l’entità delle fluttuazioni originali nell’universo primordiale. Ciò a sua volta pone dei vincoli sui fenomeni che si basano su fluttuazioni più brevi, come i buchi neri primordiali.
“È opinione diffusa che il collasso delle lunghezze d’onda corte ma potenti nell’universo primordiale sia ciò che ha portato alla creazione di buchi neri primordiali”, ha detto Christiano. “Il nostro studio suggerisce che dovrebbero esserci molti meno buchi neri primordiali di quelli necessari se fossero davvero forti candidati per la materia oscura o gli eventi di onde gravitazionali”.
I buchi neri primordiali sono attualmente ipotesi confermate. Questo perché la natura di intrappolamento della luce dei buchi neri di massa stellare rende difficile vedere questi oggetti più grandi, quindi immagina quanto sarebbe difficile individuare un buco nero con un orizzonte degli eventi delle dimensioni di una monetina.
La chiave per scoprire i buchi neri primordiali potrebbe non risiedere nell’“astronomia convenzionale”, ma nella misurazione di minuscole increspature nello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali. Sebbene gli attuali rilevatori di onde gravitazionali non siano abbastanza sensibili da rilevare le increspature nello spaziotempo causate dalla collisione di buchi neri primordiali, progetti futuri, come l’antenna spaziale interferometro laser (LISA), porteranno il rilevamento delle onde gravitazionali nello spazio. Ciò potrebbe contribuire a confermare o respingere la teoria del team, avvicinando gli scienziati alla conferma se i buchi neri primordiali potrebbero essere responsabili della materia oscura.
La ricerca del team è stata pubblicata mercoledì (29 maggio) sulla rivista Physical Review Letters.
