I fisici potrebbero aver rilevato il primo antico buco nero dell’epoca del Big Bang

Un segnale anomalo che sfida l’astrofisica classica

Un segnale di onde gravitazionali del tutto insolito ha portato alla luce un oggetto con massa inferiore a quella del Sole — qualcosa che, secondo l’astrofisica tradizionale, semplicemente non dovrebbe esistere. I ricercatori della collaborazione LIGO–Virgo–Kagra si sono imbattuti in una traccia capace di riscrivere i libri di testo della cosmologia.

I dati raccolti dai rilevatori di onde gravitazionali indicano un oggetto così leggero da non corrispondere ad alcun modello noto di formazione stellare dei buchi neri. Gli scienziati hanno analizzato la registrazione della collisione tra due oggetti compatti, identificata con il codice S251112cm. Sommando le masse dei due protagonisti di questa collisione cosmica, è emerso che uno di essi pesa meno del Sole. Per l’astrofisica classica, un buco nero simile non ha diritto di esistere. Proprio per questo, una parte dei ricercatori parla oggi della possibile prima traccia mai registrata di un cosiddetto buco nero primordiale, formatosi subito dopo il Big Bang.

Questa scoperta potrebbe cambiare radicalmente la nostra comprensione dell’universo primordiale e della misteriosa materia oscura. Se venisse confermata l’esistenza di questi oggetti in numero significativo, avremmo tra le mani una sonda unica capace di esplorare i primi microsecondi dell’esistenza del cosmo.

I ricercatori ipotizzano inoltre che questi buchi neri primordiali potrebbero costituire una parte sostanziale — o addirittura la totalità — della materia oscura, che finora nessuno è riuscito a identificare direttamente. Invece di particelle esotiche, il fondamento invisibile dell’universo potrebbe essere fatto di innumerevoli buchi neri in miniatura disseminati ovunque fin dall’inizio dei tempi.

Come le onde gravitazionali hanno portato a un enigma cosmico

Tutto inizia con quella che sembrava una rilevazione di routine: la rete di rilevatori LIGO, Virgo e il giapponese Kagra ha intercettato onde gravitazionali come tante volte in precedenza. Questi enormi interferometri misurano variazioni microscopiche nella distanza tra specchi, provocate dal passaggio delle onde gravitazionali attraverso la Terra. La maggior parte di questi segnali proviene da collisioni tra buchi neri con masse di decine di volte quella solare.

Questa volta, però, l’analisi dell’evento S251112cm ha rivelato qualcosa di straordinario. Uno dei due oggetti in fusione ha una massa compresa tra circa un decimo e poco meno di una massa solare. Un buco nero così leggero non rientra in nessun processo noto di evoluzione stellare. È un segnale inequivocabile che ci troviamo di fronte a un meccanismo di formazione completamente diverso.

I ricercatori hanno subito esaminato le spiegazioni più convenzionali. Se il segnale fosse originato dalla collisione di stelle di neutroni o nane bianche, ci si aspetterebbe una controparte luminosa — raggi gamma, emissione X o almeno un segnale nel visibile. La ricerca di un lampo associato non ha prodotto alcun risultato. Lo scenario rimasto in gioco è dunque molto più esotico.

Alcuni astrofisici sottolineano che l’assenza di un segnale luminoso è fondamentale. Il dottor Nico Cappelluti e il suo collega Alberto Magaraggia evidenziano che proprio questo dettaglio punta verso oggetti privi di materia ordinaria, che possa esplodere o irradiare luce.

Un buco nero più piccolo di una città di medie dimensioni

Gli oggetti con massa simile a quella solare che conosciamo dai cataloghi astronomici sono in genere stelle di neutroni molto dense. Un tipico buco nero che nasce dal collasso di una stella massiccia è molto più pesante — secondo i modelli attuali deve avere almeno circa tre masse solari. Per un oggetto con massa dell’ordine di 0,87 masse solari, i calcoli restituiscono dimensioni paragonabili a quelle di una città di medie dimensioni.

Il diametro di questa trappola spaziotemporale sarebbe di circa cinque chilometri. Una distanza che si percorre comodamente a piedi in mezz’ora — eppure stiamo parlando di comprimere quasi tutta la massa del Sole in un volume simile. Per creare qualcosa di così estremo, servono condizioni che nessun processo noto nelle stelle è in grado di fornire.

Gli astrofisici ribadiscono che la fisica dell’evoluzione stellare classica non consente la formazione di un buco nero con una massa così bassa attraverso il semplice collasso del nucleo stellare. Le stelle troppo poco massive non riescono a generare una pressione sufficiente per collassare in un buco nero. Finiscono come nane bianche o stelle di neutroni, non come buchi neri.

• Il diametro dell’oggetto è di circa cinque chilometri
• La massa oscilla tra 0,1 e 0,87 masse solari
• L’evoluzione stellare classica richiede almeno tre masse solari
• La densità supera qualsiasi materiale terrestre di miliardi di miliardi di volte
• Nessun processo noto nelle stelle è in grado di creare un oggetto simile
• L’oggetto non contiene materia ordinaria che possa irradiare luce

Alcuni scienziati paragonano la densità di un tale oggetto alla compressione dell’intera popolazione di Roma nelle dimensioni di una pallina da gioco. Condizioni che nell’universo ordinario semplicemente non si verificano.

Una traccia dai primi microsecondi dopo il Big Bang

Per questa ragione, gli autori della nuova analisi rivolgono lo sguardo molto più indietro nel tempo, a un’epoca in cui l’universo aveva meno di un milionesimo di secondo. In quel periodo la materia si comportava in modo completamente diverso rispetto a oggi — dominava il cosiddetto plasma quark-gluone e densità e temperature erano inimmaginabili. Già negli anni Settanta, teorici come Stephen Hawking avevano previsto che in un tale ambiente le fluttuazioni locali di densità potessero collassare sotto il proprio peso gravitazionale.

Il risultato sarebbe stata un’intera popolazione di buchi neri in miniatura, denominati buchi neri primordiali. Il gruppo di ricerca suggerisce che l’oggetto analizzato potrebbe essersi formato proprio nell’era associata alla fisica della cromodynamica quantistica, pochi microsecondi dopo il Big Bang. Se questo scenario fosse corretto, il segnale S251112cm rappresenterebbe la prima prova concreta che tali strutture sono sopravvissute fino ai giorni nostri.

Ciò significa che l’universo, già nei suoi primissimi istanti, aveva iniziato a produrre buchi neri in quantità fino ad ora discusse soltanto nelle equazioni. I ricercatori dell’osservatorio LIGO in Louisiana e del rilevatore Virgo a Pisa hanno confermato congiuntamente che la significatività statistica del segnale è elevata. La probabilità che si tratti di rumore casuale è inferiore all’uno per cento.

Gli scienziati fanno notare che una tale scoperta ci permetterebbe di osservare epoche completamente inaccessibili ad altri strumenti. La radiazione cosmica di fondo a microonde proviene da circa trecentomila anni dopo il Big Bang. I buchi neri primordiali, invece, porterebbero con sé informazioni su tempi enormemente più remoti.

La materia oscura è un oceano di buchi neri in miniatura?

Il puzzle diventa ancora più affascinante quando i ricercatori collegano questo candidato buco nero primordiale al problema della cosiddetta materia oscura. Da decenni sappiamo che la materia visibile — stelle, gas, polvere — costituisce solo una frazione minima del bilancio cosmico di massa. Circa l’ottantacinque per cento è rappresentato da una componente invisibile, che si manifesta esclusivamente attraverso la gravità.

Numerosi gruppi hanno a lungo cercato particelle responsabili di questa componente mancante, come i cosiddetti WIMP rilevati in laboratori sotterranei. Le ricerche non hanno ancora prodotto un successo inequivocabile, aprendo così la strada a idee alternative. Se i buchi neri primordiali esistessero nel numero e nell’intervallo di massa adeguati, potrebbero costituire una parte consistente — o addirittura la totalità — della materia oscura.

La nuova analisi suggerisce che l’oggetto rilevato è coerente con tale scenario. La firma di massa è compatibile con le previsioni di alcuni modelli sulla popolazione di buchi neri primordiali. In questa visione, la materia oscura non sarebbe una particella esotica che non riusciamo a rintracciare, bensì innumerevoli buchi neri dispersi nell’intero cosmo fin dalle epoche più remote.

Questo approccio spiegherebbe anche altri enigmi. Ricercatori dell’Università di Yale e dell’Istituto Max Planck per l’Astrofisica di Garching hanno calcolato come si svilupperebbero le strutture galattiche se la materia oscura fosse composta da oggetti compatti anziché da particelle. I risultati mostrano che tale distribuzione può spiegare le forme osservate delle galassie e le velocità delle stelle.

Un segnale promettente, ma non ancora definitivo

Nonostante l’entusiasmo, una parte degli scienziati invita alla cautela. Le stime indicano che la probabilità di una massa inferiore a una massa solare supera il novantanove per cento, ma l’interpretazione richiede prudenza. Esistono ancora scenari più complessi legati a sistemi multi-oggetto in densi ammassi stellari, capaci di generare segnali anomali.

Per questo il gruppo definisce ancora l’oggetto un candidato buco nero primordiale. Per passare da un indizio a una conclusione solida, i fisici hanno bisogno di altri eventi simili. L’attuale campagna osservativa della rete LVK ha qui un ruolo cruciale — i rilevatori raggiungono sensibilità sempre maggiori, e le possibilità di nuove registrazioni crescono di anno in anno.

Un secondo o terzo segnale con parametri comparabili potrebbe trasformare un’ipotesi affascinante in un nuovo capitolo della cosmologia. Se diversi eventi indipendenti confermassero l’esistenza di un’intera classe di buchi neri sub-solari, i fisici dovranno riscrivere le sezioni dei libri di testo dedicate al Big Bang, all’universo primordiale e alla natura della materia oscura.

Alcuni ricercatori della collaborazione LIGO–Virgo–Kagra sottolineano tuttavia la necessità di escludere tutte le possibilità convenzionali. Rare configurazioni di stelle di neutroni in sistemi binari stretti potrebbero teoricamente produrre un segnale simile. L’analisi dei dati prosegue quindi con simulazioni sempre più sofisticate.

Cosa cambierebbe con la conferma dei buchi neri primordiali

Se ulteriori osservazioni supportassero l’interpretazione di Cappelluti e Magaraggia, ci attenderebbe una serie di conseguenze di enorme portata. La cosmologia acquisterebbe uno strumento per studiare epoche ultra-precoci, molto anteriori al periodo da cui proviene la radiazione cosmica di fondo. I buchi neri primordiali funzionerebbero come sonde capaci di ricordare le condizioni dei primi microsecondi di vita del cosmo.

Anche la teoria della formazione delle galassie richiederebbe revisioni significative. Una popolazione aggiuntiva di oggetti compatti e densi modifica il modo in cui la materia si addensa, come crescono gli aloni di materia oscura e come si formano le prime stelle. Per i fisici delle particelle, si tratta anche di un segnale importante: la ricerca di particelle esotiche potrebbe avere un campo d’azione più limitato se la parte del leone la fanno i buchi neri. Potremmo scoprire di aver cercato per tutto questo tempo la materia oscura sotto forma di particelle sconosciute, mentre la risposta stava in oggetti previsti già cinquant’anni fa.

I ricercatori dell’osservatorio Virgo in Italia ricordano che una tale scoperta avrebbe ricadute anche sulle tecnologie. Una migliore comprensione delle onde gravitazionali e delle fasi primordiali dell’universo potrebbe in futuro aprire nuove applicazioni nella misurazione del tempo, nella navigazione o persino nell’energia. Per ora, tuttavia, si tratta ancora di speculazioni, in attesa di ulteriori dati confermatori.