Una scoperta che potrebbe riscrivere la cosmologia
Astrofisici statunitensi hanno rilevato un’onda gravitazionale proveniente da un oggetto che, secondo le analisi preliminari, sarebbe nato nel primo secondo dopo il Big Bang. La sua massa risulterebbe inferiore a quella del Sole — un dato che contraddice tutto ciò che sappiamo sui buchi neri ordinari.
Se confermata, questa interpretazione rappresenterebbe una rivoluzione per la cosmologia. Si tratterebbe della prima traccia concreta di un buco nero primordiale, un residuo dell’epoca in cui non esisteva ancora alcuna stella. In più, potrebbe offrire una spiegazione parziale alla natura della materia oscura.
I ricercatori Alberto Magaraggia e Nico Cappelluti dell’Università di Miami hanno analizzato i dati del rivelatore LIGO, dimostrando che il segnale denominato S251112cm presenta caratteristiche che si adattano meglio proprio a un buco nero primordiale. Questo oggetto avrebbe colliso con un altro corpo, generando le onde gravitazionali intercettate. Per parlare di vera svolta scientifica, tuttavia, servono almeno altri segnali analoghi. Eppure la sola possibilità di rilevare oggetti così esotici apre già un capitolo inedito nell’astronomia.
Come nasce un buco nero che non ha bisogno di una stella
Lo scenario classico della formazione di un buco nero è noto dai libri di testo. Una stella massiccia, al termine della propria vita, collassa sotto il suo stesso peso, esplode come supernova e il suo nucleo si trasforma in un buco nero. Un oggetto del genere ha tipicamente una massa compresa tra qualche decina di volte quella del Sole.
Con il nuovo segnale le cose stanno diversamente. L’oggetto che ha generato le onde gravitazionali registrate ha una massa nettamente inferiore a quella del Sole. In teoria non dovrebbe nemmeno esistere — a meno che non si sia formato senza alcuna stella, attraverso un meccanismo completamente diverso.
La spiegazione più plausibile è proprio quella del buco nero primordiale, nato nelle condizioni estreme immediatamente successive al Big Bang, prima ancora che le prime stelle prendessero forma. Questi oggetti sono autentiche fossili cosmiche della prima frazione di secondo dell’universo.
Secondo i modelli teorici, avrebbero potuto formarsi da addensamenti di materia subatomica in un cosmo caldissimo e in espansione frenetica. Nessuna stella, nessuna supernova — soltanto densità pura ed estrema.
Perché la massa fa tutta la differenza
I buchi neri che gli astronomi osservano abitualmente rientrano in due grandi categorie di massa. La prima comprende oggetti con poche decine di masse solari — resti di stelle massicce. La seconda include i buchi neri supermassicci al centro delle galassie, con milioni o miliardi di masse solari.
L’oggetto suggerito dal nuovo segnale si colloca ben al di sotto del limite inferiore di queste categorie note. Questo esclude quasi del tutto lo scenario stellare classico, portando in primo piano il concetto di buchi neri primordiali.
Gli astrofisici hanno confrontato la frequenza teorica di questi oggetti con i dati reali raccolti da LIGO a partire dal 2015. La rarità di questo segnale è in ottimo accordo con i modelli previsti per i buchi neri primordiali: compare esattamente con la sporadicità attesa, qualora tali oggetti esistano davvero.
I ricercatori hanno anche esaminato se una massa così bassa potesse appartenere a qualche altro tipo di oggetto compatto, come una stella di neutroni. Le caratteristiche del segnale, però, indicano chiaramente un evento di collisione più compatibile con un buco nero che con una stella di neutroni.
Come LIGO ascolta l’universo attraverso le onde gravitazionali
Alla base di questa scoperta c’è LIGO, l’osservatorio americano delle onde gravitazionali, che misura le microscopiche vibrazioni dello spazio prodotte dalle collisioni tra oggetti estremamente massivi. Nel 2015 LIGO registrò per la prima volta il segnale di una fusione di buchi neri, un risultato che valse il Premio Nobel e rivoluzionò l’astronomia.
Ora lo stesso strumento cattura qualcosa di molto più sottile. Il segnale S251112cm si distingue per la massa dell’oggetto coinvolto, impossibile da classificare nelle categorie conosciute. Magaraggia e Cappelluti, dopo aver analizzato i dati, indicano il buco nero primordiale come l’interpretazione più convincente.
LIGO ha dimostrato di saper non soltanto rilevare spettacolari collisioni tra buchi neri massicci, ma anche rintracciare oggetti molto più leggeri ed esotici nascosti nel rumore dei dati. I rivelatori impiegano interferometri laser con bracci di quattro chilometri, situati ad Hanford, nello Stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana.
Una singola collisione, ovviamente, non basta a chiudere la questione. Questo tipo di segnale può avere interpretazioni alternative e gli astrofisici sono noti per la loro prudenza. Per questo i ricercatori ammettono apertamente di aver bisogno di almeno una decina di eventi analoghi prima di parlare di conferma solida. Eppure il solo fatto che gli strumenti abbiano raggiunto questa sensibilità è già di per sé un traguardo straordinario.
I buchi neri primordiali potrebbero essere la materia oscura dell’universo
La storia, però, non finisce qui. Se il segnale proviene davvero da un buco nero primordiale, ci troviamo di fronte a uno dei problemi più spinosi della fisica moderna: la cosiddetta materia oscura.
Le osservazioni dei movimenti di stelle e galassie rivelano che nell’universo manca una quantità enorme di massa. Tutto ciò che vediamo — stelle, pianeti, gas, polveri — rappresenta soltanto circa il quindici per cento di quanto necessario a spiegare il comportamento gravitazionale dell’universo. Il resto è composto da una materia invisibile che non emette né riflette luce, ma esercita una forza gravitazionale reale.
Una delle ipotesi in campo suggerisce che una parte significativa di questa massa mancante potrebbe essere costituita proprio da buchi neri primordiali, disseminati nello spazio come minuscole e invisibili sfere di gravità. Se LIGO ha davvero iniziato a rilevare tali oggetti, non si tratta di una semplice curiosità scientifica.
I ricercatori disporrebbero così di uno strumento per contare questi buchi neri e stimarne la massa complessiva. Ogni nuovo evento contribuirà a rispondere alla domanda se i buchi neri primordiali siano compatibili con le osservazioni delle galassie, degli ammassi stellari e della radiazione cosmica di fondo a microonde.
Alcuni teorici fanno però notare che, se i buchi neri primordiali costituissero tutta la materia oscura, dovremmo osservare un numero molto più elevato di fenomeni di lente gravitazionale — la curvatura della luce attorno a questi oggetti. Finora questa previsione non si è confermata, quindi realisticamente potrebbero rappresentare solo una frazione della materia oscura.
Cosa porteranno LISA e la prossima generazione di rivelatori
LIGO non è l’unico strumento all’orizzonte. L’Agenzia Spaziale Europea sta sviluppando il progetto LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un rivelatore spaziale di onde gravitazionali. Tre satelliti formeranno un gigantesco interferometro triangolare in orbita attorno al Sole. Il lancio è previsto per la metà degli anni Trenta.
LISA sarà sensibile a un intervallo di frequenze diverso rispetto a LIGO, il che significa che potrà captare tipologie di sorgenti completamente nuove. Per i buchi neri primordiali potrebbe rappresentare una svolta decisiva: alcuni di essi, in particolare quelli in sistemi binari, generano onde che rientrano idealmente nella banda di sensibilità dell’interferometro spaziale.
- LIGO rileva frequenze da decine a migliaia di hertz, adatte alle collisioni tra buchi neri di massa stellare
- LISA opererà nella banda dei millihertz, corrispondente a oggetti più massicci e distanti
- L’Einstein Telescope europeo dovrebbe entrare in funzione nei prossimi quindici anni, con una sensibilità dieci volte superiore
- Il Cosmic Explorer americano prevede bracci di quaranta chilometri, rispetto agli attuali quattro
- Il rivelatore giapponese KAGRA è già operativo e aggiunge un terzo continente alla rete di osservatori
- Il Pulsar Timing Array monitora pulsar millisecondi alla ricerca di onde gravitazionali con periodi dell’ordine di anni
Come immaginare un buco nero più leggero del Sole
L’idea di un buco nero meno massiccio del Sole può sembrare astratta, quindi vale la pena ancorala a qualcosa di più tangibile. Se esistesse un buco nero primordiale con la massa di un grande asteroide, avrebbe dimensioni paragonabili a quelle di un pallone da calcio, forse anche più piccolo. Eppure la sua gravità supererebbe quella di un’intera montagna e, nelle vicinanze dell’orizzonte degli eventi, nemmeno la luce potrebbe sfuggire.
Oggetti simili sono praticamente invisibili ai telescopi tradizionali. Non emettono luce, non la riflettono; a volte si tradiscono soltanto curvando il percorso dei raggi luminosi che li attraversano, oppure — come in questo caso — rilasciando onde gravitazionali nel momento di una collisione.
I ricercatori stimano che nella nostra Galassia potrebbero esistere da milioni a miliardi di questi micro buchi neri, ammesso che esistano. Identificarli singolarmente è quasi impossibile, ma il loro effetto collettivo sui movimenti stellari e sulla radiazione cosmica potrebbe essere misurabile.
Come una rilevazione anomala cambia il futuro della ricerca
Anche se il segnale S251112cm richiede conferme, sta già influenzando il modo in cui i ricercatori pianificano i prossimi studi. Si stanno analizzando archivi di dati alla ricerca di eventi simili in precedenza trascurati. I team teorici stanno affinando modelli che prevedono come dovrebbero apparire le collisioni tra buchi neri primordiali di diverse masse.
Per chi osserva dall’esterno, l’intera vicenda mostra quanto rapidamente stia cambiando l’astronomia. Solo dieci anni fa le onde gravitazionali erano soltanto un concetto nelle equazioni di Einstein. Oggi sono diventate uno strumento per esplorare le fasi più inaccessibili della storia dell’universo — quelle che nessun telescopio ottico o radiotelescopi potrà mai mostrarci.
Se nei prossimi anni arriveranno altri segnali analoghi, termini come buco nero primordiale o materia oscura potrebbero smettere di suonare come pura teoria. Col tempo potrebbero entrare a far parte di cataloghi concreti di oggetti, con masse descritte, frequenze di collisione e influenza sull’evoluzione delle galassie. E a quel punto le domande sulle origini di tutto ciò che ci circonda potrebbero finalmente avere risposte quantificabili. Presto potremmo scoprire se le fossili del primo secondo dell’universo esistono davvero — e cosa hanno da raccontarci sulla struttura stessa della realtà.
