Un segnale anomalo che sfida ogni modello astrofisico conosciuto
Un insolito segnale di onde gravitazionali ha rivelato un oggetto talmente leggero da non corrispondere ad alcun modello noto di formazione stellare. Gli esperti ipotizzano di trovarsi di fronte a una traccia risalente ai primi microsecondi dopo il Big Bang.
Il team LIGO–Virgo–Kagra ha analizzato la registrazione di una collisione tra due oggetti compatti, identificata con il codice S251112cm. Quando i ricercatori hanno calcolato le masse dei protagonisti di questo scontro cosmico, è emerso che uno dei due pesa meno del Sole. Per l’astrofisica classica, un buco nero simile non dovrebbe semplicemente esistere. Proprio per questo, una parte degli studiosi sostiene oggi di poter osservare la prima traccia di un cosiddetto buco nero primordiale, formatosi immediatamente dopo il Big Bang.
Le onde gravitazionali rappresentano uno strumento fondamentale per osservare il cosmo. Mentre la maggior parte delle scoperte precedenti riguardava buchi neri con masse pari a decine di volte quella solare, questo caso si distingue per una leggerezza straordinaria. Una simile scoperta potrebbe trasformare la nostra comprensione dell’universo primordiale e risolvere il mistero della materia oscura.
Come le onde gravitazionali hanno svelato un enigma cosmico
Tutto ha inizio con la rilevazione apparentemente ordinaria di onde gravitazionali da parte della rete di interferometri LIGO, Virgo e del giapponese Kagra. Questi strumenti colossali misurano variazioni microscopiche nella distanza tra specchi, prodotte dal passaggio delle onde gravitazionali attraverso la Terra. La maggior parte di tali segnali proviene dalla fusione di buchi neri con masse nell’ordine di decine di masse solari.
Questa volta, però, l’analisi dell’evento S251112cm ha rivelato qualcosa di eccezionale. Uno dei due oggetti in fusione ha una massa compresa tra un decimo e poco meno di una massa solare. Un buco nero così leggero non rientra in nessuno dei processi noti di evoluzione stellare.
I ricercatori hanno subito vagliato le spiegazioni più convenzionali. Se il segnale fosse originato dalla collisione di stelle di neutroni o nane bianche, avrebbe dovuto produrre anche una contropartita luminosa, sia essa raggi gamma, emissioni X o almeno uno spettro ottico. La ricerca di un lampo associato non ha prodotto alcun risultato. Lo scenario rimasto in gioco è quindi decisamente più esotico.
Un buco nero più piccolo di una città di medie dimensioni
Gli oggetti con massa paragonabile a quella del Sole che compaiono nei cataloghi astronomici sono perlopiù 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 gli astrofisici, un oggetto di 0,87 masse solari rappresenta dunque una vera anomalia.
Per un oggetto con questa massa, i calcoli indicano dimensioni paragonabili a quelle di una città di medie dimensioni. Il diametro di questa trappola spaziotemporale sarebbe di circa cinque chilometri, una distanza percorribile tranquillamente in mezzora di corsa, eppure stiamo parlando di contenere quasi l’intera massa del Sole in tale spazio.
Per creare qualcosa di così estremo servono condizioni che nessun processo stellare conosciuto è in grado di generare. Gli astrofisici sottolineano che la fisica della normale evoluzione stellare non consente la formazione di un buco nero di così bassa massa attraverso il collasso del nucleo di una stella. Proprio per questo, i ricercatori si rivolgono alle epoche più antiche dell’universo.
Una traccia dai primi microsecondi dopo il Big Bang
Gli autori della nuova analisi, Nico Cappelluti e Alberto Magaraggia, 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 radicalmente diverso da oggi: dominava il cosiddetto plasma quark-gluone e densità e temperature raggiungevano valori 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, dando origine a un’intera popolazione di buchi neri in miniatura, chiamati appunto buchi neri primordiali. Il team suggerisce che l’oggetto analizzato potrebbe essersi formato proprio nell’era legata alla fisica della cromodinamica quantistica, pochi microsecondi dopo il Big Bang.
Se questo scenario fosse corretto, il segnale S251112cm costituirebbe la prima prova concreta che tali oggetti sono effettivamente sopravvissuti fino ai giorni nostri. Significherebbe che l’universo, già nei suoi primissimi istanti, aveva iniziato a produrre buchi neri in quantità fino a ora discussa soltanto nelle equazioni. Per i cosmologi si tratterebbe di una scoperta rivoluzionaria.
- La durata del segnale fornisce informazioni sulle masse dei componenti della coppia
- L’ampiezza si traduce nella distanza della sorgente dalla Terra
- La frequenza finale permette di stimare la massa dell’oggetto risultante
- L’assenza di un segnale luminoso aiuta a escludere la presenza di stelle di neutroni
- La forma del segnale registrato rivela il tipo di oggetti coinvolti nella collisione
- La tecnica interferometrica rileva variazioni inferiori a una frazione del diametro di un protone
- I rilevatori LIGO hanno bracci lunghi diversi chilometri
- Virgo in Italia e Kagra in Giappone formano insieme una rete globale di osservazione
La materia oscura potrebbe essere un mare 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 è noto che la materia visibile, ovvero stelle, gas e polvere, costituisce soltanto una piccola parte del bilancio di massa cosmico. Circa l’85 percento è rappresentato da una componente invisibile che si manifesta esclusivamente tramite la gravità.
Numerosi gruppi di ricerca hanno finora cercato le particelle responsabili di questa componente mancante, come le WIMP rilevabili in detector sotterranei. La ricerca non ha ancora prodotto risultati definitivi, aprendo la strada a idee alternative. Se i buchi neri primordiali esistono in numero e distribuzione di masse adeguati, potrebbero costituire una parte sostanziale, forse persino l’intera materia oscura.
La nuova analisi suggerisce che l’oggetto rilevato si inserisce bene in tale scenario. La firma di massa coincide con le previsioni di alcuni modelli sulla popolazione di buchi neri primordiali. In questa visione, la materia oscura non sarebbe particelle esotiche ancora da scoprire, ma innumerevoli buchi neri disseminati in tutto il cosmo fin dalle epoche più remote. Per la fisica delle particelle, ciò lascerebbe meno spazio alla ricerca di nuovi elementi fondamentali.
Un segnale promettente, ma ancora non definitivo
Nonostante l’entusiasmo, una parte dei ricercatori invita alla cautela. Le stime indicano che la probabilità che la massa sia inferiore a una massa solare supera il 99 percento, ma l’interpretazione richiede prudenza. Esistono ancora scenari più complessi legati a sistemi con molteplici oggetti in ammassi stellari densi, capaci di generare segnali anomali.
Per questo il team definisce per ora l’oggetto come un candidato buco nero primordiale. Per passare dall’ipotesi a una conclusione solida, i fisici hanno bisogno di più eventi simili. L’attuale campagna osservativa della rete LVK riveste in questo senso un’importanza cruciale: i rilevatori raggiungono sensibilità sempre maggiori, e la probabilità di nuove registrazioni cresce ogni anno.
Un secondo o terzo segnale con parametri comparabili potrebbe trasformare un’intrigante ipotesi in un nuovo capitolo della cosmologia. Se diversi eventi indipendenti confermassero l’esistenza di un’intera classe di buchi neri sub-solari, i fisici dovrebbero riscrivere i capitoli dedicati al Big Bang, alla cosmologia primordiale e alla natura della materia oscura, con una scoperta rivoluzionaria paragonabile a quella delle onde gravitazionali stesse.
Cosa cambierebbe con la conferma dei buchi neri primordiali
Se ulteriori osservazioni sostenessero l’interpretazione di Cappelluti e Magaraggia, una serie di conseguenze ci attenderebbe. La cosmologia acquisterebbe uno strumento per studiare epoche ultra-precoci, molto più antiche del periodo da cui proviene la radiazione cosmica di fondo a microonde. I buchi neri primordiali funzionerebbero come sonde che conservano memoria delle 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 si accumula la materia, come si sviluppano gli aloni di materia oscura e come si formano le prime stelle.
Per rendere l’idea con un’immagine semplice, si può pensare a una pentola di minestra in ebollizione, con bolle che continuamente si formano e affondano. Nell’universo primordiale, queste bolle erano addensamenti di materia. La maggior parte si disperse con l’espansione cosmica, ma alcune erano così dense da collassare su se stesse, generando buchi neri. Nei miliardi di anni successivi, questi oggetti avrebbero orbitato quasi invisibili tra e all’interno delle galassie, occasionalmente scontrandosi tra loro. Proprio in questi rari scontri si generano le onde gravitazionali che i rilevatori terrestri captano oggi. Ogni segnale di questo tipo è dunque come una cartolina spedita dai primissimi istanti dell’universo, che porta con sé informazioni su condizioni altrimenti inosservabili con qualsiasi altro mezzo.
