I fisici hanno forse scoperto il primo buco nero primordiale del Big Bang

Un segnale di onde gravitazionali che cambia tutto

Le onde gravitazionali hanno registrato la collisione di un oggetto più leggero del Sole. Un buco nero così piccolo non può nascere dal collasso di una stella, e questo ha spinto gli scienziati verso una spiegazione sorprendente: potrebbe essersi formato pochi microsecondi dopo il Big Bang.

Quando i ricercatori della collaborazione LIGO–Virgo–Kagra hanno analizzato il segnale denominato S251112cm, si sono imbattuti in un vero enigma. Uno dei due oggetti coinvolti aveva una massa inferiore a quella del Sole, il che non ha alcun senso nell’astrofisica tradizionale. Secondo i modelli noti di evoluzione stellare, un buco nero così leggero semplicemente non dovrebbe esistere. Ecco perché una parte della comunità scientifica parla oggi del primo possibile indizio di un buco nero primordiale, formatosi pochissimo dopo la nascita dell’universo.

Questo evento potrebbe riscrivere interi capitoli dei libri di cosmologia. Se l’interpretazione venisse confermata, avremmo a disposizione una sonda capace di esplorare le epoche più remote del cosmo, finora inaccessibili all’osservazione diretta. I ricercatori delle università italiane Nico Cappelluti e Alberto Magaraggia hanno pubblicato un’analisi che suggerisce come l’oggetto osservato si sia formato nell’era della cromodinamica quantistica, pochi microsecondi dopo il Big Bang.

L’astronomia gravitazionale ha aperto una nuova finestra sull’universo solo pochi anni fa. Oggi i rivelatori captano decine di collisioni ogni anno, e ogni nuovo segnale può riservare sorprese come quella dell’evento S251112cm. Viviamo in un’epoca straordinaria, in cui le domande fondamentali sull’origine del cosmo stanno passando dalla pura speculazione al dominio dei dati misurabili.

Cosa ha rivelato il segnale anomalo delle onde gravitazionali?

Tutto ha inizio con una rilevazione apparentemente ordinaria da parte della rete di osservatori LIGO, Virgo e del rivelatore giapponese Kagra. Questi enormi interferometri misurano variazioni microscopiche nella distanza tra specchi causate dal passaggio delle onde gravitazionali attraverso la Terra. La maggior parte di tali segnali proviene da collisioni tra buchi neri con masse di decine di masse solari.

Questa volta, però, l’analisi dell’evento S251112cm ha mostrato qualcosa di eccezionale. Uno dei due oggetti in fusione presentava una massa compresa approssimativamente tra un decimo e poco meno di una massa solare. Un oggetto così leggero non rientra in nessun processo conosciuto di evoluzione stellare.

I ricercatori hanno subito esaminato le spiegazioni classiche. Se il segnale fosse provenuto da uno scontro tra stelle di neutroni o nane bianche, avremmo dovuto registrare anche una traccia luminosa: raggi gamma, raggi X o almeno una emissione nel visibile. La ricerca di un lampo elettromagnetico accompagnatore non ha prodotto alcun risultato. È rimasto in gioco uno scenario decisamente più esotico.

Gli esperti della collaborazione sottolineano che la probabilità che la massa sia inferiore a una massa solare supera il 99 percento. Questo dato statistico fornisce all’ipotesi del buco nero primordiale una base solida, anche se non ancora una conferma definitiva.

Come può un buco nero pesare meno del Sole?

Gli oggetti di massa simile a quella solare che compaiono nei cataloghi astronomici sono per lo più stelle di neutroni estremamente dense. Un tipico buco nero nato 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 una massa dell’ordine di 0,87 masse solari, le dimensioni sarebbero paragonabili a quelle di una città di medie dimensioni.

Il diametro di una tale trappola spaziotemporale sarebbe di circa cinque chilometri. Si tratta della distanza che si percorre comodamente in mezz’ora di camminata — eppure stiamo parlando di comprimere quasi tutta la massa del Sole in questo volume. Per creare qualcosa di così estremo servono condizioni che nessun processo noto all’interno delle stelle può garantire.

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 con massa troppo ridotta finiscono come nane bianche, mentre quelle più massicce generano stelle di neutroni oppure buchi neri oltre le tre masse solari. Un oggetto come S251112cm non si inserisce in questa sequenza.

Lisa Barsotti del MIT, membro del team LIGO, sottolinea che i rivelatori raggiungono una sensibilità tale da captare variazioni più piccole di un millesimo del diametro di un protone. È proprio questa sofisticazione tecnica degli interferometri negli osservatori LIGO di Hanford e Livingston, e del rivelatore Virgo presso Pisa, ad aprire la strada alla scoperta di oggetti al di fuori dei cataloghi ordinari.

Una traccia dai primi microsecondi dopo il Big Bang

Per questo motivo gli autori della nuova analisi, Nico Cappelluti e Alberto Magaraggia, volgono lo sguardo molto più indietro nel tempo, a un’epoca in cui l’universo aveva un’età inferiore a un milionesimo di secondo. In quel periodo la materia si comportava in modo radicalmente diverso da oggi: dominava il cosiddetto plasma quark-gluone e le densità e temperature erano inimmaginabili.

Già negli anni Settanta fisici teorici, tra cui Stephen Hawking, prevedevano che in un simile ambiente le fluttuazioni locali di densità potessero collassare sotto il proprio peso, generando intere popolazioni di minuscoli buchi neri. Questi presero il nome di buchi neri primordiali. Il team propone che l’oggetto analizzato possa essersi formato proprio nell’era legata alla fisica della cromodinamica quantistica, pochi microsecondi dopo il Big Bang.

Se questo scenario fosse reale, il segnale S251112cm rappresenterebbe la prima prova tangibile che tali corpi sono sopravvissuti fino ai giorni nostri. Significherebbe che l’universo, già nei suoi primissimi istanti, aveva iniziato a produrre buchi neri in una quantità di cui si parlava finora solo nelle equazioni. Il professor Bernard Carr della Queen Mary University of London è uno dei pionieri dell’ipotesi dei buchi neri primordiali e ritiene che questa scoperta confermerebbe decenni di lavoro teorico.

Gli scienziati utilizzano oggi i dati provenienti da quattro cicli di osservazione dei rivelatori. La sensibilità cresce ogni anno, e con essa aumenta la probabilità di catturare altri eventi simili. Per i cosmologi, una serie di buchi neri sub-solari confermati aprirebbe una finestra sull’epoca dell’universo che precede la ricombinazione e la nascita della radiazione cosmica di fondo.

La materia oscura potrebbe essere un oceano di buchi neri primordiali?

Il puzzle si fa ancora più intrigante quando i ricercatori collegano questo candidato buco nero primordiale al problema della materia oscura. Da decenni sappiamo che la materia visibile — stelle, gas, polvere — costituisce solo una piccola parte del bilancio di massa cosmico. Circa l’85 percento è rappresentato da una componente invisibile, che si manifesta esclusivamente attraverso la gravità.

Molti gruppi di ricerca hanno cercato a lungo le particelle responsabili di questa componente mancante, come le cosiddette WIMP rilevate nei laboratori sotterranei. La ricerca non ha finora portato a risultati univoci, aprendo la strada a idee alternative. Se i buchi neri primordiali esistono in numero e intervallo di masse sufficienti, potrebbero costituire una parte sostanziale, forse persino la totalità, della materia oscura.

La nuova analisi suggerisce che l’oggetto rilevato si inserisce perfettamente in tale scenario. La firma di massa concorda con le previsioni di alcuni modelli della popolazione di buchi neri primordiali. In questa visione, la materia oscura non sarebbe fatta di particelle esotiche impossibili da individuare, bensì di innumerevoli buchi neri dispersi in tutto l’universo sin dalle epoche più remote.

Il team di ricerca di Milano e Roma ha utilizzato simulazioni della formazione delle strutture cosmiche. I risultati mostrano che una popolazione di buchi neri sub-solari potrebbe spiegare la distribuzione osservata della materia nelle galassie senza dover introdurre nuove particelle fondamentali. Il dottor Juan García-Bellido dell’Università Autonoma di Madrid ha pubblicato uno studio in cui modella il contributo dei buchi neri primordiali di diverse masse alla materia oscura totale.

• La probabilità di una massa inferiore a una massa solare supera il 99 percento
• Il diametro di tale buco nero è di circa cinque chilometri
• L’oggetto non ha emesso alcuna traccia luminosa durante la collisione
• Stelle di neutroni e nane bianche avrebbero lasciato un segnale elettromagnetico
• I rivelatori LIGO e Virgo misurano variazioni più piccole di un millesimo del diametro di un protone
• Il plasma quark-gluone dominava l’universo nei primi microsecondi
• Stephen Hawking predisse i buchi neri primordiali già nel 1974
• La materia oscura costituisce circa l’85 percento della massa dell’universo

Come funziona un rivelatore di onde gravitazionali?

Per comprendere meglio il peso del segnale attuale, è utile sapere cosa misurano esattamente LIGO e Virgo. Si tratta di installazioni in cui un fascio laser percorre due bracci perpendicolari e rimbalza su specchi posti a diversi chilometri di distanza. Quando un’onda gravitazionale attraversa il rivelatore, comprime leggermente uno degli assi e allunga l’altro.

La variazione nella lunghezza dei bracci è inferiore a una frazione del diametro di un protone, ma la sofisticata tecnica interferometrica permette di rilevarla. Dalla forma del caratteristico «cinguettio» delle onde gravitazionali registrate, i ricercatori ricavano le masse, la distanza e il tipo degli oggetti in collisione. Nel caso di S251112cm, tutti questi elementi hanno composto il quadro di un sistema in cui uno dei protagonisti ha una massa insolitamente bassa.

La durata del segnale informa sulle masse dei componenti della coppia, l’ampiezza si traduce nella distanza della sorgente, la frequenza finale consente di stimare la massa dell’oggetto risultante, e l’assenza di un segnale luminoso aiuta a escludere le stelle di neutroni. È stato proprio questo dettaglio a suscitare un così grande interesse tra gli astrofisici.

Gli scienziati del laboratorio LIGO di Hanford, nello Stato di Washington, e i loro colleghi dell’osservatorio Virgo presso Pisa coordinano l’analisi dei dati provenienti dai quattro cicli di osservazione finora completati. Il rivelatore giapponese Kagra, nei pressi della città di Hida, si è unito nell’ultimo ciclo, migliorando la precisione nella localizzazione delle sorgenti in cielo.

Cosa cambierebbe con la conferma dei buchi neri primordiali?

Se ulteriori osservazioni dovessero sostenere l’interpretazione di Cappelluti e Magaraggia, si aprirebbe una serie di conseguenze di enorme portata. La cosmologia acquisterebbe uno strumento per studiare epoche ultraremote, ben precedenti il periodo da cui proviene la radiazione cosmica di fondo. I buchi neri primordiali agirebbero come sonde che conservano la memoria delle condizioni regnanti nei primissimi microsecondi di esistenza dell’universo.

Anche la teoria della formazione delle galassie richiederebbe revisioni. Una popolazione aggiuntiva di oggetti compatti e densi modifica il modo in cui la materia si accumula, come crescono gli aloni di materia oscura e come prendono forma le prime stelle. Per i fisici delle particelle si tratta inoltre di un segnale importante: la ricerca di particelle esotiche potrebbe avere meno spazio se la parte del leone la fanno proprio i buchi neri.

Un secondo o terzo segnale con parametri comparabili potrebbe trasformare un’ipotesi affascinante in un nuovo capitolo della cosmologia. Il professor Tomasz Bulik dell’Università di Varsavia osserva che la rilevanza statistica di un singolo caso è già notevole, ma una serie di rilevazioni simili rappresenterebbe una vera rivoluzione nella nostra comprensione dell’universo primordiale.

Per chi non è specialista, è possibile immaginarlo così: pensa a una pentola di zuppa bollente, in cui bolle e correnti salgono e scendono continuamente. Nell’universo primordiale esistevano addensamenti di materia analoghi a queste bolle. La maggior parte si è dissolta con l’espansione del cosmo, ma alcuni erano così densi da collassare sotto il proprio peso, formando buchi neri. Nel corso dei miliardi di anni successivi, questi oggetti hanno vagato quasi invisibili tra le galassie e al loro interno, collidendo occasionalmente. Proprio durante queste rare collisioni vengono emesse onde gravitazionali, che oggi i rivelatori terrestri sono in grado di captare.