Una popolazione non ancora scoperta di antichi buchi neri potrebbe essere nascosta nell’universo. Questi abissi cosmici avrebbero molto in comune con i buchi neri più familiari; in alcuni casi, i due potrebbero essere indistinguibili. Ma a differenza dei loro simili, questi buchi neri non si sarebbero formati dal collasso di una stella massiccia su se stessa, né sarebbero pari dei buchi neri supermassicci che si nutrono al centro delle galassie. Invece, questi buchi neri sarebbero nati nelle prime epoche dopo il Big Bang, prima ancora che le stelle e le galassie apparissero. Chiamati buchi neri primordiali, questi oggetti ipotetici hanno attirato interesse fin dagli anni ’60. Stephen Hawking scrisse uno dei primi articoli sulla loro potenziale esistenza. Solo pochi anni dopo, la sua indagine sui buchi neri primordiali lo portò forse alla sua idea più famosa, che i buchi neri perdono energia — ora chiamata radiazione di Hawking — in un modo che lentamente li priva della loro massa.
Ora, dopo decenni di riflessioni sui buchi neri primordiali, gli scienziati sembrano genuinamente ottimisti sulla possibilità di rilevarli. C’è stato un aumento di interesse nel campo. Ricercatori nuovi ai buchi neri primordiali stanno collaborando con investigatori di lunga data per definire i dati che potrebbero provare l’esistenza di questi buchi neri. Se esistessero nell’universo, emetterebbero radiazione di Hawking, piegherebbero la luce delle stelle, si scontrerebbero con altri oggetti cosmici e tra di loro, forse persino divorando stelle dall’interno. In altre parole, modellerebbero il cosmo in modi osservabili.
Nel 2023, un team che include il cosmologo Bernard Carr, che coautore di un articolo fondamentale sull’argomento con Hawking, ha delineato più di 20 linee di evidenza che potrebbero supportare l’esistenza dei buchi neri primordiali. In una recente revisione storica, Carr ha previsto che avremo una risposta entro il prossimo decennio. “Scommetterei, diciamo, il 70% — forse il 60 o 70% — che esistono,” dice Carr, professore emerito alla Queen Mary University di Londra. “E questo è in parte un desiderio perché preferisco che esistano, ma è qualcosa che cerca di essere obiettivo.”
Se i buchi neri primordiali esistono, potrebbero aiutare a risolvere uno dei più grandi misteri della cosmologia: cos’è la materia oscura? Questa sostanza elusiva è sei volte più abbondante di tutta la materia ordinaria che conosciamo, dalle persone ai pianeti ai pickleball. La sua influenza gravitazionale è accreditata di tenere insieme le galassie e di fare da impalcatura a tutta la sostanza cosmica che possiamo vedere. Ma nonostante decenni di ricerche, nessuno sa ancora cosa sia. I buchi neri primordiali potrebbero rappresentare parte della materia oscura. Alcuni ricercatori credono che questi buchi neri potrebbero rappresentare tutta la materia oscura. Ma la loro esistenza non è data per scontata. La loro formazione richiede nuove fisiche, come sottolineano alcuni critici. Tra i ricercatori che ora studiano questi buchi neri ci sono veri credenti, quelli che sperano di smentire l’idea e tutti gli altri.
“C’è sicuramente più gente che è eccitata ora,” dice Anne Green, una fisica delle particelle astrofisiche all’Università di Nottingham in Inghilterra che ha coautore la revisione storica con Carr ma si considera agnostica sulla questione dell’esistenza. “E probabilmente c’è più motivo di essere eccitati.”
Buchi neri ovunque
Il recente aumento di interesse ha le sue origini nel 2016. Quell’anno, gli scienziati hanno riportato che le onde gravitazionali, increspature nello spaziotempo previste dalla teoria generale della relatività di Einstein, erano state rilevate da una coppia di buchi neri in fusione. La scoperta, riconosciuta con il Premio Nobel per la fisica l’anno successivo, ha aperto una nuova finestra sui buchi neri. “Una volta che sapevamo di poter osservare direttamente le fusioni di buchi neri con le onde gravitazionali, questo è diventato uno strumento,” dice il cosmologo Will Kinney dell’Università di Buffalo a New York. “Ogni volta che crei un nuovo strumento, un nuovo modo di osservare l’universo, allora inizi a fare domande in modo diverso.” Dice che l’interesse attuale per i buchi neri primordiali è un buon esempio di ciò.
Fino a quando i dati delle onde gravitazionali non hanno iniziato a fluire, c’erano due tipi di buchi neri noti per esistere in abbondanza. Il primo, i buchi neri “stellari”, si forma quando una stella molto massiccia esaurisce il carburante e il suo nucleo collassa su se stesso. Questi buchi neri generalmente hanno masse tra cinque e dieci volte la massa del sole, e talvolta anche di più. Il secondo tipo abbondante, i buchi neri supermassicci, si trova al centro delle galassie e può pesare miliardi di volte la massa del sole. Forse questi si sono formati all’inizio della storia galattica dal collasso diretto del gas, o attraverso fusioni successive di buchi neri stellari. In entrambi i casi, sono cresciuti mentre si nutrivano di qualsiasi cosa fosse alla loro portata.
Ma quando l’Osservatorio Avanzato di Interferometria Laser delle Onde Gravitazionali, o LIGO, ha riportato quelle prime fusioni di buchi neri nel 2016, gli oggetti erano più massicci di quanto molti si aspettassero, con ciascuno nella coppia che pesava quanto 30 soli.
Masse strane nelle fusioni
Tra il 2015 e il 2020, la collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA ha rilevato più di 80 fusioni di buchi neri. Le masse tendono ad essere più grandi di quanto alcuni ricercatori avessero inizialmente previsto, e alcune coppie di masse sfidano le attuali teorie sulla formazione dei buchi neri. Ogni freccia sul grafico rappresenta una fusione di buchi neri. I punti mostrano le masse dei buchi neri originali in ciascuna coppia (rosso) e le masse finali dopo la loro fusione (blu).
Simeon Bird, un cosmologo alla Johns Hopkins University all’epoca, ricorda di aver riflettuto sulle masse con il suo consigliere poco prima che i risultati diventassero pubblici. Perché le prime rilevazioni di LIGO sarebbero di quelli che si pensano essere buchi neri relativamente rari piuttosto che qualcosa di più comune? “Forse è un buco nero primordiale,” ricorda di aver detto Bird ridendo. “Che idea sciocca.” Ma quell’idea suppostamente sciocca si trasformò rapidamente in un articolo che sosteneva che LIGO potrebbe aver rilevato materia oscura sotto forma di buchi neri primordiali. Rapporti di altri team puntavano alla stessa possibilità. Negli anni successivi, LIGO negli Stati Uniti è stato affiancato da Virgo in Italia e KAGRA in Giappone. Finora, la collaborazione ha rilevato più di 80 fusioni di buchi neri.
Oltre alle masse sorprendenti dei buchi neri che Bird e altri hanno riflettuto, alcuni scienziati sono intrigati dalle lente rotazioni dei buchi neri, dal numero di fusioni tra buchi neri di masse drasticamente diverse e da quanto spesso i buchi neri sembrano fondersi nel tempo cosmico. “Ci sono molte proprietà che sono bizzarre,” dice Sébastien Clesse, un cosmologo dell’Université Libre de Bruxelles in Belgio. I buchi neri primordiali potrebbero aiutare a spiegare i risultati inaspettati.
Formare un buco nero primordiale
Nella frazione più piccola delle frazioni di secondo dopo il Big Bang, quando l’universo era nient’altro che una palla calda e compatta di energia, gli scienziati credono che si sia espanso esponenzialmente, crescendo di un fattore di almeno 10^25 in meno di un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo — un periodo noto come inflazione. Durante questo tempo, le fluttuazioni quantistiche avrebbero generato cambiamenti estremi nella densità di energia. Alcune tasche potrebbero essere diventate così dense da collassare su se stesse, generando buchi neri primordiali.
Questa è solo una delle immagini che i ricercatori hanno elaborato per spiegare come i buchi neri primordiali potrebbero essersi formati subito dopo il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa. Ci sono altri meccanismi proposti nei momenti più antichi dell’universo, inclusi anelli di stringhe cosmiche o bolle in collisione. “L’unico ingrediente di cui hai veramente bisogno è una grande densità di energia,” dice il fisico teorico Florian Kühnel del Max Planck Institute for Physics a Monaco.
Indipendentemente da come e quando questi buchi neri primordiali si sono formati, sarebbero apparsi in una gamma di masse molto più diversificata di quella che vediamo oggi. Ci sarebbero buchi neri con la massa di un gnu (un paio di centinaia di chilogrammi), così come quelli con la massa del Monte Everest (decine a centinaia di trilioni di chilogrammi). I buchi neri con masse approssimativamente pari a quelle degli asteroidi sarebbero ancora microscopici. E ci sarebbero buchi neri con le masse di pianeti e stelle, forse fino a superare un milione di masse solari.
Alcuni di questi buchi neri primordiali potrebbero spiegare le inaspettate rilevazioni delle onde gravitazionali, sostengono Carr, Clesse, Kühnel e Juan García-Bellido dell’Universidad Autónoma de Madrid in un articolo del 2021 su Physics of the Dark Universe. I più grandi dei buchi neri primordiali potrebbero risolvere un’altra questione aperta: come i buchi neri supermassicci, specialmente quelli rilevati all’inizio dell’universo, potrebbero essere cresciuti così tanto così rapidamente. Clesse e García-Bellido suggerirono già nel 2015 che se i buchi neri primordiali esistono, potrebbero aver servito come semi per quelli supermassicci di oggi.
L’articolo del 2021 presenta un quadro plausibile, dice Bird, ora all’Università della California, Riverside. Ma l’astrofisica più ordinaria potrebbe ancora spiegare le osservazioni dei buchi neri sconcertanti. Parte della sfida è che gli scienziati non sanno abbastanza sui buchi neri in generale. Non c’è ancora un quadro chiaro di come siano distribuiti, quanto comunemente si fondano o come il loro ambiente influenzi l’alimentazione, la crescita o l’evaporazione a causa della radiazione di Hawking. Studiare la fisica dei buchi neri circondati da gas e polvere, come sono nell’universo, è complicato. Molti modelli semplicemente non lo considerano.
“Abbiamo teoremi bellissimi, bellissimi che hanno giustamente guadagnato ai nostri colleghi Premi Nobel,” dice David Kaiser, un fisico e storico della scienza al MIT, “e questi risultati studiano quasi interamente i buchi neri e nient’altro, parlando in modo approssimativo.”
Rilevare i buchi neri primordiali
Nonostante tutto ciò che è sconosciuto, ci sono due osservazioni che la maggior parte degli scienziati concorda indicherebbero definitivamente un buco nero primordiale, e gran parte dell’eccitazione recente riguarda come individuare tali segni. La prima sarebbe un buco nero rilevato prima che si formassero le prime stelle, forse entro i primi cento milioni di anni dopo il Big Bang. Poiché non potrebbe essersi formato dalle stelle, si pensa che debba essere primordiale. Gli attuali rilevatori di onde gravitazionali non possono guardare così indietro nel tempo, ma quelli futuri potrebbero. L’osservatorio spaziale delle onde gravitazionali LISA, previsto per il lancio negli anni ’30, e il Telescopio Einstein e il Cosmic Explorer, entrambi in fase di pianificazione, potrebbero raggiungere questa epoca ultra-antica.
Il secondo possibile segno certo, che potrebbe forse essere trovato con gli osservatori esistenti, sarebbe un buco nero con una massa pari a quella del sole o meno. Sarebbe difficile da comprendere attraverso i meccanismi di formazione tipici, lasciando i buchi neri primordiali come spiegazione più plausibile. García-Bellido sta guidando un gruppo che cerca questi buchi neri nei dati attuali delle onde gravitazionali, e il team sta già studiando alcuni candidati. “Se LIGO trovasse un buco nero di una massa solare, allora tutti sarebbero convinti che i buchi neri primordiali sono reali,” concorda l’astrofisico stellare Earl Bellinger dell’Università di Yale. Dice che non riesce a pensare a nessun altro processo ragionevole che produrrebbe quella massa. “E se è meno di una massa solare, ancora meglio.”
Il Telescopio Einstein e il Cosmic Explorer aumenterebbero la ricerca di buchi neri con masse approssimativamente pari a quella del sole o meno. E alcuni team stanno considerando rilevatori di tipo radicalmente diverso che cercherebbero onde gravitazionali da buchi neri con la massa di un pianeta, un asteroide o meno. Ma le onde gravitazionali potrebbero non essere l’unico modo per rilevare un tale buco nero. Alcuni ricercatori hanno altre idee.
Bellinger, per esempio, ha recentemente posto la domanda: cosa succederebbe se un piccolo buco nero primordiale si nascondesse all’interno di una stella? Molti eminenti fisici, incluso Hawking, hanno esplorato questa domanda prima. Ma non c’è una comprensione solida di quanto velocemente un buco nero con una massa simile a quella della luna o di un asteroide si nutrirebbe e crescerebbe all’interno di una stella, e quindi se la luce della stella sfuggirebbe all’attrazione del buco nero. “Il buco nero ha questo buffet a volontà, che è il plasma stellare, e potresti pensare che la stella semplicemente cada dentro, il che potrebbe accadere,” dice Bellinger. “Ma se cade quasi ad angolo, ti aspetti che tutto intorno si riscaldi. Se si riscalda, esercita una certa pressione e una certa luminosità fluisce fuori.”
Bellinger, Kühnel e colleghi hanno deciso di investigare diversi scenari per stelle con buchi neri all’interno, chiamate stelle di Hawking. Il team ha riportato i risultati nel dicembre 2023 sull’Astrophysical Journal. “Lo scenario più divertente è se l’energia esce,” dice Bellinger. In tal caso, vedresti un tipo di gigante rossa noto come red straggler. Tali stelle (per le quali ci sono altre spiegazioni, forse più plausibili) sono state trovate in abbondanza nelle galassie nane vicino alla Via Lattea che si pensa siano dominate dalla materia oscura. Bellinger e colleghi notano che studi su come l’intensità della luce di queste stelle oscilla potrebbero distinguere una stella di Hawking da un red straggler formato in un altro modo, offrendo così prove per i buchi neri primordiali.
E più vicino a casa? Nel settembre 2024, due team separati di ricercatori hanno suggerito come un buco nero primordiale che passa attraverso il nostro sistema solare potrebbe essere rilevato. Clesse e altri hanno sostenuto che un buco nero con la massa di un asteroide sarebbe abbastanza pesante da modificare le orbite dei satelliti, inclusi quelli usati per la navigazione GPS. L’altro team, che includeva Kaiser e colleghi del MIT, ha descritto come un tale buco nero primordiale potrebbe disturbare l’orbita di Marte.
Kaiser e la fisica teorica Elba Alonso-Monsalve, anche del MIT, hanno persino suggerito che potrebbe esserci un modo per rilevare una popolazione ormai scomparsa di buchi neri primordiali ultra-piccoli. In uno studio recente, il team ha investigato la formazione di buchi neri primordiali poco dopo l’inflazione ma ancora solo circa 10^-20 secondi dopo il Big Bang. A quel tempo, particelle subatomiche note come quark e gluoni fluttuavano liberamente, non ancora legate in protoni e neutroni. Mentre i buchi neri si formavano in una gamma di masse, avrebbero inghiottito questi quark e gluoni, insieme a una proprietà quantistica chiamata carica di colore che le particelle possiedono. Per buchi neri abbastanza grandi, l’amalgama delle cariche di colore si annullerebbe, lasciando nessuna carica di colore netta. Ma ciò non sarebbe vero per i buchi neri più piccoli.
Qualsiasi buco nero primordiale abbastanza piccolo da avere carica di colore sarebbe evaporato tramite radiazione di Hawking ormai, ma potrebbe aver lasci