Un segnale che potrebbe riscrivere la cosmologia
Astrofisici statunitensi hanno rilevato onde gravitazionali che con ogni probabilità provengono da un buco nero nato nei primissimi istanti dopo il Big Bang. L’oggetto ha una massa inferiore a quella del Sole, una caratteristica che contraddice tutto ciò che la scienza sapeva finora sui buchi neri.
Se l’interpretazione venisse confermata, saremmo di fronte a qualcosa di storicamente inedito: la prima traccia concreta di un cosiddetto buco nero primordiale, un residuo del primo secondo di vita dell’universo.
Non si tratta del classico scenario con una supernova e una stella collassante. Stiamo parlando di qualcosa di molto più antico e raro. I ricercatori Alberto Magaraggia e Nico Cappelluti dell’Università di Miami hanno analizzato i dati del rivelatore LIGO, e le loro conclusioni indicano che questi oggetti esotici esistono davvero. Non è semplice teoria: esiste un segnale specifico, catalogato come S251112cm.
Un buco nero che non aveva bisogno di alcuna stella
La formazione standard di un buco nero è nota fin dalle basi dell’astrofisica. Una stella massiccia, al termine della sua vita, collassa sotto il proprio peso, esplode come supernova e il suo nucleo si trasforma in un buco nero. Ecco perché questi oggetti raggiungono in genere una massa pari a diverse o decine di volte quella solare.
Con il nuovo segnale le cose stanno diversamente. L’oggetto che si è scontrato con un altro corpo generando le onde gravitazionali rilevate ha una massa decisamente inferiore a quella del Sole. In teoria, quindi, non dovrebbe esistere — a meno che non si sia formato in un modo completamente diverso, senza alcuna stella.
La spiegazione più plausibile è quella di un buco nero primordiale, nato nelle condizioni estreme immediatamente successive al Big Bang, prima ancora che si formassero le prime stelle. Questi oggetti sono vere e proprie fossili cosmiche del primo secondo dell’universo.
Secondo la teoria, avrebbero potuto originarsi da addensamenti di materia subatomica estremamente densa, formatisi in uno spazio caldo e in rapidissima espansione. Nessuna stella, nessuna esplosione di supernova — solo densità pura ed estrema.
Perché la massa fa tutta la differenza
I buchi neri comunemente osservati dagli astronomi rientrano in due categorie principali. Il primo gruppo comprende oggetti con poche decine di masse solari, residui di stelle massicce. Il secondo gruppo include buchi neri supermassicci, con milioni o miliardi di masse solari, presenti nei centri delle galassie.
L’oggetto suggerito dal nuovo segnale si colloca ben al di sotto del limite inferiore noto. Questo esclude quasi del tutto lo scenario stellare classico e porta in primo piano il concetto di buchi neri primordiali.
Gli astrofisici hanno confrontato la frequenza di comparsa attesa per questi oggetti con i dati reali raccolti da LIGO a partire dal 2015. La rarità di questo segnale corrisponde perfettamente ai modelli teorici sui buchi neri primordiali: appare esattamente con la sporadicità prevista, qualora questi oggetti esistessero davvero.
I ricercatori elencano sei caratteristiche chiave del segnale S251112cm:
- Massa dell’oggetto inferiore a una massa solare
- Frequenza di comparsa coerente con le previsioni teoriche
- Forma dell’onda gravitazionale diversa dalle collisioni standard
- Assenza di radiazione elettromagnetica tipica dei buchi neri stellari
- Compatibilità con i modelli della fase inflazionaria primordiale dell’universo
- Basso rapporto segnale-rumore che richiede un’analisi sofisticata
Come LIGO “ascolta” l’universo attraverso le onde gravitazionali
Dietro questa scoperta c’è LIGO, l’osservatorio americano di onde gravitazionali che misura le vibrazioni microscopiche dello spazio generate dalle collisioni tra oggetti estremamente massicci. Nel 2015 LIGO registrò per la prima volta il segnale di una collisione tra buchi neri, evento che aprì una vera rivoluzione nella astronomia, premiata con il Nobel.
Ora lo stesso strumento intercetta qualcosa di molto più sottile. Il segnale S251112cm si distingue per la massa dell’oggetto coinvolto, che non rientra in nessuna categoria conosciuta. I due scienziati dell’Università di Miami indicano il buco nero primordiale come l’interpretazione più coerente con i dati.
LIGO ha dimostrato di essere in grado non solo di registrare spettacolari collisioni tra buchi neri massicci, ma anche di rintracciare oggetti molto più leggeri ed esotici, nascosti nel rumore dei dati. I laboratori di Hanford e Livingston impiegano interferometri laser con bracci lunghi quattro chilometri.
Una singola collisione, però, non è sufficiente per trarre conclusioni definitive. Questo tipo di segnale può avere interpretazioni alternative, e gli astrofisici sono noti per la loro prudenza. Per una conferma solida, i ricercatori dichiarano apertamente di avere bisogno di almeno una decina di eventi simili. Eppure il solo fatto che gli strumenti raggiungano questa sensibilità apre un campo di ricerca del tutto nuovo.
I buchi neri primordiali potrebbero essere la materia oscura dell’universo
Ma la storia non finisce qui. Se il segnale proviene davvero da un buco nero primordiale, ci avviciniamo a uno dei problemi più longevi della fisica: la cosiddetta materia oscura.
Dalle osservazioni del moto di stelle e galassie emerge che nell’universo manca un’enorme quantità di massa. Tutto ciò che vediamo — stelle, pianeti, gas, polvere — rappresenta soltanto circa il quindici percento di quanto necessario per spiegare il comportamento gravitazionale dell’universo. Il resto è costituito da materia invisibile, che non emette né riflette luce, ma esercita attrazione gravitazionale.
Una delle ipotesi sostiene che una parte significativa di questa massa mancante potrebbe essere costituita proprio da buchi neri primordiali, dispersi nello spazio come minuscole e invisibili sfere di massa. Se LIGO ha davvero iniziato a registrare tali oggetti, non si tratta di una semplice curiosità scientifica.
I ricercatori avrebbero così uno strumento per contarli e stimarne la massa complessiva. Ogni nuovo evento contribuirà a rispondere alla domanda se i buchi neri primordiali siano compatibili con le osservazioni di galassie, ammassi stellari e fondo cosmico a microonde.
Astrofisici della Stanford University e del MIT collaborano alla creazione di cataloghi di questi oggetti. I ricercatori del Caltech perfezionano gli algoritmi per filtrare i segnali. I teorici dell’Università di Cambridge affinano i modelli sulla loro formazione.
Cosa potrà portare LISA e la prossima generazione di rivelatori
LIGO non è l’unico strumento all’orizzonte. L’Agenzia Spaziale Europea sta sviluppando il progetto LISA, un rivelatore di onde gravitazionali spaziale. 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 una gamma di frequenze diversa rispetto a LIGO, il che significa che rileverà tipologie di sorgenti completamente nuove. Per i buchi neri primordiali potrebbe essere una svolta: alcuni di essi, soprattutto quelli in coppia, potrebbero generare onde perfettamente adatte alla sensibilità dell’interferometro spaziale.
Il progetto LISA prevede una collaborazione tra ESA e NASA. I bracci dell’interferometro saranno lunghi due milioni e mezzo di chilometri. Il satellite di prova LISA Pathfinder ha già completato con successo la missione di verifica.
Come immaginare un buco nero così piccolo
Un buco nero più leggero del Sole suona piuttosto astratto, quindi vale la pena renderlo più concreto. Se esistesse un buco nero primordiale con la massa di un grande asteroide, avrebbe dimensioni paragonabili a un pallone da calcio, forse anche minori. Eppure la sua gravità supererebbe quella di un’intera montagna, e nei pressi dell’orizzonte degli eventi nemmeno la luce potrebbe sfuggire.
Oggetti del genere sono praticamente invisibili ai telescopi tradizionali. Non emettono luce, non la riflettono, e talvolta si possono tradire solo curvando il percorso dei raggi luminosi che passano dietro di loro — oppure, come in questo caso, emettendo onde gravitazionali durante una collisione.
L’orizzonte degli eventi di un tale buco nero avrebbe un diametro di pochi centimetri o metri. La densità raggiungerebbe valori paragonabili a quelli del nucleo atomico. Un oggetto con la metà della massa solare si inserirebbe in una sfera delle dimensioni di una grande città.
Cosa cambia per il futuro della ricerca grazie a una scoperta atipica
Anche se il segnale S251112cm attende conferma, sta già influenzando il modo in cui i ricercatori pianificano le indagini future. Si stanno passando al vaglio i dati d’archivio alla ricerca di eventi simili, in precedenza ignorati. I gruppi teorici stanno perfezionando modelli che prevedono l’aspetto preciso delle collisioni tra buchi neri primordiali di diverse masse.
Per chi osserva dall’esterno, questa storia mostra quanto rapidamente stia cambiando l’astronomia. Appena dieci anni fa le onde gravitazionali erano soltanto un concetto nelle equazioni di Einstein. Oggi stanno diventando uno strumento per esplorare le epoche più inaccessibili della storia dell’universo — quelle che nessun telescopio ottico o radiotelescopo potrà mai mostrare.
Se nei prossimi anni arriveranno altri segnali simili, termini come buco nero primordiale o materia oscura potrebbero smettere di suonare come pura teoria. Con il tempo diventeranno parte di cataloghi concreti di oggetti, con masse descritte, frequenze di collisione e impatto sull’evoluzione delle galassie. E allora le domande sulle origini di tutto ciò che ci circonda cominceranno ad avere risposte molto più numeriche e misurabili.
