Perché i buchi neri possono costituire tutta la materia oscura?

La materia oscura è la sostanza misteriosa che i cosmologi ritengono riempia il nostro Universo. La prova della sua esistenza è che non c'è abbastanza massa visibile per tenere insieme le galassie. Ma poiché le galassie manifestamente non si separano, deve esserci qualcosa di invisibile, una massa mancante, che genera le forze gravitazionali che le tengono insieme.

Ma c'è un problema con questa idea. Due di loro in realtà. Innanzitutto, la migliore ipotesi dei fisici sulle leggi della fisica fornisce una buona descrizione di tutte le particelle che hanno scoperto finora e di alcune che si aspettano di scoprire presto. Il problema è che nessuna di queste particelle ha il giusto tipo di proprietà per essere materia oscura, cioè elettricamente neutra, longeva e lenta. Ma nessuna delle particelle conosciute o ragionevolmente ipotizzate va bene. Per fare spazio a una particella di materia oscura, le leggi della fisica devono essere cambiate in modi con cui molti teorici si sentono a disagio.

In secondo luogo, nonostante un decennio passato alla ricerca della materia oscura con esperimenti costati decine di milioni di dollari, nessuno ha mai messo gli occhi su quella roba. La maggior parte dei fisici pensa che questi esperimenti non abbiano trovato nulla: zip, zilch, zero.

È difficile sfuggire alla conclusione che sia necessaria qualche altra spiegazione per la massa mancante.

Inserisci Paul Frampton all'Università della Carolina del Nord e alcuni amici. Il suggerimento di Frampton è che la massa mancante sia costituita da buchi neri che sono troppo piccoli per essere visti direttamente ma troppo grandi per essere evaporati a causa della radiazione di Hawking.

Ma questa idea è più di un'altra ipotesi selvaggia. Frampton e amici hanno un argomento interessante basato sull'entropia per sostenere la loro affermazione. Va così.

Per prima cosa determinano quale potrebbe essere la massima entropia dell'Universo immaginando che l'intero universo visibile fosse un gigantesco buco nero. La risposta risulta essere 10^123, un numero molto grande. Quindi questo è il limite superiore di ciò che può essere l'entropia.

Successivamente, calcolano un limite inferiore sommando l'entropia in tutti i buchi neri conosciuti nell'universo. Risolvono il problema assumendo che ci sia un gigantesco buco nero al centro di ogni galassia, una visione che è sempre più comunemente sostenuta dagli astrofisici.

Questo dà il numero 10^103, molti ordini di grandezza inferiore.

Questa è una grande quantità di entropia, certo, ma Frampton e co. quindi è improbabile che sia il principale contributore nel nostro universo. Ogni buco nero supermassiccio ha circa le dimensioni del nostro sistema solare o meno ed è intuitivamente improbabile che essenzialmente tutta l'entropia sia così concentrata, dice. Quindi qualcos'altro deve generare entropia da qualche parte.

Non può essere materia visibile poiché i calcoli convenzionali indicano che la sua entropia raggiunge solo 10^88. Ciò che resta è l'entropia della massa oscura mancante.

Che tipo di buchi neri potrebbero essere responsabili di questo? Si scopre che qualsiasi buco nero più grande di 10^6 masse solari causerebbe la spirale della materia vicina al suo interno, impedendo la formazione di galassie. Qualunque cosa più piccola di 10^-8 masse solari sarebbe evaporata.

Quindi la conclusione è che la materia oscura è costituita da buchi neri con una massa compresa tra 10^6 e 10^-8 masse solari.

Ma c'è anche un problema con questa idea. Come hanno potuto questi buchi neri essersi formati in un numero così grande all'inizio dell'Universo. Qualcosa deve aver causato l'aggregazione della materia su questa scala per formare i buchi neri. Ma non c'è nulla che indichi come ciò possa essere accaduto nell'attuale teoria dell'inflazione, che descrive come è cresciuto l'Universo primordiale.

È facilmente risolvibile, diciamo Frampton e compagni: devono esserci stati due periodi di inflazione. Il primo ha portato alla struttura su larga scala dell'Universo che vediamo ed è stato misurato da veicoli spaziali come WMAP. Il secondo ha portato all'aggregazione che ha creato un gran numero di buchi neri primordiali di medie dimensioni.

Questa è una spiegazione un po' più facile da digerire rispetto a quella in cui le leggi della fisica devono cambiare per creare nuove particelle di materia oscura. Ma solo.

Tuttavia, le idee di Frampton possono essere meglio verificate cercando prove di questi buchi neri primordiali, che dovrebbero causare eventi di microlente: la loro gravità dovrebbe focalizzare la luce delle stelle dietro di loro viste dalla Terra.

Questo tipo di misurazioni sta diventando più facile, quindi dovrebbe essere possibile accettare o rifiutare le idee di Frampton in un futuro non troppo lontano.

Rif.:

arxiv.org/abs/1003.3356 : I buchi neri costituiscono tutta la materia oscura

arxiv.org/abs/1001.2308 : Buchi neri primordiali come tutta la materia oscura

nascondere