BUCHI NERI PRIMORDIALI, DARK MATTER E MULTIVERSI

Materia oscura nella tana del Bianconiglio

Uno studio pubblicato su Physical Review Letters ipotizza che i buchi neri primordiali – entità formatesi all’epoca dell’inflazione e teoricamente sede di innumerevoli “baby universi” – potrebbero essere ciò che chiamiamo materia oscura. E che sia possibile tentare di verificare quest’ipotesi grazie a telescopi come il giapponese Subaru o il futuro Vera Rubin Survey Telescope. Media Inaf ha intervistato uno degli autori dello studio, il fisico napoletano Edoardo Vitagliano

     30/12/2020
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Una stella nella galassia di Andromeda appare temporaneamente più luminosa se un buco nero primordiale le passa davanti, concentrando la sua luce per effetto del microlensing gravitazionale. È ciò che potrebbe essere stato osservato con la Hyper Suprime-Cam del telescopio giapponese Subaru il 23 novembre 2014. Crediti: Kavli Ipmu / Hsc Collaboration

E se quell’entità misteriosa che chiamiamo materia oscura non fosse altro che l’insieme dei buchi neri primordiali? E se dentro a ciascuno di questi antichissimi buchi neri – formatisi da bolle di falso vuoto addirittura prima del Big Bang – ci fosse un piccolo universo a sé stante? In cerca di risposte a questi dilemmi da Alice nel Paese delle Meraviglie, gli autori di uno studio pubblicato a fine ottobre su Physical Review Letters si sono tuffati all’inseguimento di un Bianconiglio cosmico: un possibile buco nero primordiale osservato con la Hyper Suprime-Cam del telescopio giapponese Subaru nella notte del 23 novembre 2014, tradito dall’effetto di microlensing da lui stesso prodotto mentre solcava la regione di universo fra noi e la galassia d’Andromeda. Un buco nero – se l’ipotesi trovasse conferma – di massa ridottissima, paragonabile a quella della Luna. E stando ai calcoli e alle simulazioni degli autori dello studio – un team guidato da Alexander Kusenko del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe di Kashiwa, in Giappone – esiste la possibilità di metterla concretamente alla prova, quest’ipotesi, grazie alle capacità di strumenti come, appunto, la Hyper Suprime-Cam di Subaru o il futuro Vera Rubin Survey Telescope.

Insomma, un piatto unico con buchi neri primordiali, materia oscura e multiversi. Un piatto complicato, ma che fa gola. Per averne un assaggio, Media Inaf ha raggiunto uno degli autori dello studio, il fisico napoletano Edoardo Vitagliano, laurea all’Università Federico II, dottorato in Germania al Max Planck Institut für Physik, poi un periodo di ricerca all’università di Tokyo, dove ha l’opportunità di conoscere e collaborare con un professore della Ucla – l’università della California a Los Angeles, dove oggi Vitagliano lavora come ricercatore in fisica e astronomia.

Dottor Vitagliano, vediamo se abbiamo capito bene: davvero avete visto passare un buco nero primordiale fra noi e la galassia di Andromeda? Un buco nero con massa paragonabile a quella della Luna?

«L’idea è la seguente. Supponiamo di osservare la luce che viene da una galassia lontana. La presenza di materia lungo il viaggio che la luce deve fare per arrivare a noi è in grado di “piegare” il suo percorso. Un buco nero è così compatto da essere simile a una lente di ingrandimento. In un’analisi dei dati di Subaru precedente al nostro studio, una collaborazione che coinvolge anche alcuni dei coautori ha in effetti individuato un candidato. L’interpretazione di questo candidato come buco nero purtroppo non è ancora definitiva, vedremo cosa saprà dirci Subaru con più ore di osservazione».

Nell’attesa facciamo un passo indietro. Molto indietro. Fino all’epoca dell’inflazione. Quando i buchi neri primordiali si sarebbero formati. Anzitutto: stiamo parlando di un‘epoca precedente o successiva al Big Bang? 

«Dipende da cosa si intende con “Big Bang”. L’inflazione è un periodo di espansione molto rapida – esponenziale – cui segue un’espansione più lenta, durante la quale l’universo è evoluto dall’essere una zuppa caldissima di particelle a qualcosa di più simile a quello che è ora. L’inflazione quindi avviene prima della formazione della zuppa, ed è in questo breve lasso di tempo che i buchi neri primordiali potrebbero essersi formati».

E si sarebbero formati da quelle regioni che chiamate di falso vuoto, o in modo ancor più suggestivo baby universi

«Sì, sono due modi diversi di dire la stessa cosa. Durante l’inflazione possono formarsi delle bolle di falso vuoto, che non evolvono come il resto dell’universo. Queste bolle collassano poi su loro stesse grazie alla gravità, come può capitare alle stelle, formando dei buchi neri. Una volta avvenuto il collasso, non sappiamo cosa c’è dentro una bolla, ma ci potrebbe essere un baby universo».

Rappresentazione artistica di baby universi che si diramano dal nostro universo, e che poco dopo il Big Bang ci appaiono come buchi neri. Crediti: Kavli Ipmu

Dunque non stiamo parlando d’universi paralleli al nostro, ma di piccoli universi contenuti all’interno del nostro?

«I baby universi prodotti dalle bolle più grandi sono in effetti universi contenuti dentro al nostro, al cui interno non possiamo avere accesso».

In che senso?

«Immaginate la situazione nel seguente modo: durante il periodo inflazionario, spuntano delle bolle al cui interno la densità è diversa da quella dell’universo circostante – è il falso vuoto di cui dicevamo prima. A questo stadio, un ipotetico osservatore nell’universo “genitore” (cioè dove siamo noi) può ancora “guardare” nella bolla, quindi non sono ancora baby universi. A un certo punto queste bolle collassano su loro stesse. Da fuori si vedrà sempre un buco nero. Ma cosa c’è dentro? Se la bolla è di “taglia piccola”, niente. Se una bolla è di “taglia grande”, c’è un altro universo: un baby universo separato dal nostro».

Il buco nero primordiale che potreste aver visto passare con Subaru a che categoria di buchi neri appartiene? Quelli prodotti da bolle di taglia piccola o quelli che potrebbero contenere un baby universo?

«Purtroppo non possiamo saperlo. Se osservassimo molti buchi neri e fossimo in grado di ricostruirne una popolazione, avremmo indizi su quale sia la categoria a cui uno di questi appartiene».

Il vostro studio suggerisce che questi buchi neri primordiali potrebbero essere buoni candidati per la materia oscura. Quali tra i tanti fenomeni che attribuiamo alla materia oscura – curve di rotazione delle galassie, lensing, spettro di potenza delle anisotropie del fondo cosmico a microonde – spiegherebbero?

«I buchi neri primordiali possono spiegare tutti i fenomeni che attribuiamo alla materia oscura. Inoltre, hanno una caratteristica che li rende particolarmente affascinanti come candidati: interagiscono solo gravitazionalmente con la materia ordinaria, che è quanto (al momento) le ricerche sulla natura della materia oscura ci dicono».

Il fisico napoletano Edoardo Vitagliano, fra gli autori dello studio pubblicato su Prl, durante una conferenza

Perché invece i buchi neri “normali”, quelli non primordiali intendo, non sarebbero candidati altrettanto validi per la materia oscura?

«Perché per formare buchi neri “normali” l’ingrediente fondamentale sono le stelle, le quali collassano gravitazionalmente producendoli, mentre ci sono indizi sulla presenza di materia oscura nell’universo in epoche che precedono di molto l’esistenza delle stelle. Va comunque detto che, in un certo senso, i buchi neri “normali” sono una parte della materia oscura! Semplicemente non possono costituirne il grosso».

Torniamo ai buchi neri primordiali, a quelli prodotti dalle bolle più grandi, e dunque con un baby universo dentro. Scrivete che un osservatore interno li vedrebbe come universi in espansione. Che significa? Dentro ci sono stelle, galassie, pianeti?

«Significa che all’interno c’è una parte di spazio-tempo separata dal nostro universo, inaccessibile a noi – e viceversa, il nostro universo è inaccessibile. Certo, l’esistenza di corpi celesti al loro interno è decisamente improbabile. D’altronde, l’esistenza di stelle e pianeti – e vita! – all’interno del nostro universo potrebbe essere essa stessa un colpo di fortuna».

Ma siamo sicuri di essere osservatori esterni? Chi ci dice che noi stessi non siamo dentro a un buco nero primordiale, considerato che vediamo un universo in espansione?

«Rispetto a questi buchi neri primordiali, siamo osservatori esterni. Per quanto riguarda la seconda domanda, è filosoficamente affascinante, ma d’altronde saremmo comunque isolati».


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