Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

Nei primissimi istanti del nostro universo, una frazione di secondo dopo l'inizio, lo spazio stesso subì un periodo di espansione inimmaginabile nota come inflazione cosmica. Questo rapido stiramento ha levigato il cosmo e ha piantato i semi di tutto ciò che vediamo oggi, dalle galassie alle stelle. Tuttavia, la teoria dell'inflazione suggerisce anche che, in condizioni specifiche e rare, l'universo avrebbe potuto produrre minuscoli e densi grumi di materia che sono collassati immediatamente in buchi neri. Questi sono chiamati buchi neri primordiali. A differenza dei buchi neri formati dalle stelle morenti, questi sarebbero nati dall'energia pura dell'universo primordiale. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti se questi oggetti esistano e se possano costituire la "materia oscura" invisibile che tiene insieme le galassie. La sfida è stata trovare un meccanismo fisico che crei abbastanza di questi buchi neri senza infrangere le regole della nostra attuale comprensione della fisica.

Un team di ricercatori dell'Università di Burdwan in India ha esaminato questo problema con una nuova prospettiva, utilizzando un quadro specifico della teoria delle stringhe, una delle principali candidate per una teoria del tutto. Si sono concentrati su un panorama matematico chiamato "potenziale dell'inflatone", che descrive il campo di energia responsabile della spinta dell'espansione iniziale dell'universo. Nel loro modello, sono partiti da una versione di questo campo che spiega con successo la struttura liscia e su larga scala dell'universo che osserviamo oggi. A questo modello consolidato, hanno introdotto una perturbazione localizzata molto piccola. Immaginate che la pendenza dolce di una collina abbia improvvisamente un piccolo e delicato rigonfiamento. Nel linguaggio dei ricercatori, questo rigonfiamento è stato creato deformando leggermente una delle forme geometriche fondamentali che definiscono le dimensioni nascoste della teoria delle stringhe. Questo piccolo cambiamento non era solo una modifica casuale; era progettato per testare come si comporta l'universo quando l'espansione fluida dell'inflazione incontra un rallentamento temporaneo e localizzato.

Quando il campo che guida l'inflazione scivola oltre questo rigonfiamento, non accelera né si ferma completamente; invece, rallenta significativamente più del solito. I ricercatori chiamano questa una fase di "ultra-slow-roll" (ultra-lento scorrimento). Durante questa breve pausa, le fluttuazioni quantistiche dell'universo, che di solito sono minuscole e innocue, vengono amplificate drammaticamente. Pensate a una momentanea pausa in un fiume impetuoso che permette a un piccolo increspamento di trasformarsi in un'onda massiccia. Nelle loro simulazioni, questa amplificazione ha causato un picco nella densità della materia in certe regioni a un livello molto più alto rispetto alla media. Quando l'universo ha continuato a espandersi e queste regioni dense sono infine rientrate nell'orizzonte osservabile, la gravità al loro interno è diventata così forte da farle collassare istantaneamente in buchi neri.

Lo studio ha calcolato le proprietà di questi ipotetici buchi neri con grande precisione. Hanno scoperto che il processo produrrebbe buchi neri con una massa approssimativamente equivalente a quella della Terra o di Giove, dimensioni molto più piccole di quelle dei buchi neri formati dalle stelle. Questi oggetti sarebbero incredibilmente leggeri in termini astronomici, ma abbastanza massicci da sopravvivere fino ai giorni nostri. I ricercatori hanno determinato che questi buchi neri impiegherebbero un tempo quasi incomprensibile per evaporare, molto più lungo dell'età attuale dell'universo. Ciò significa che, se fossero stati creati nei numeri suggeriti dal loro modello, sarebbero ancora qui oggi, contribuendo potenzialmente alla materia oscura che permea il cosmo.

Tuttavia, l'esistenza di questi oggetti non è priva di vincoli. Il team ha verificato i propri risultati confrontandoli con le osservazioni del mondo reale, guardando specificamente ai dati dei sondaggi di microlente gravitazionale. Questi sondaggi cercano l'indebolimento temporaneo della luminosità di stelle distanti causato dalla gravità di oggetti passanti. I ricercatori hanno scoperto che, affinché il loro modello sia coerente con ciò che vediamo nel cielo, la densità delle fluttuazioni primordiali deve rimanere al di sotto di una soglia specifica. Se le fluttuazioni fossero state anche solo leggermente più forti, l'abbondanza risultante di buchi neri sarebbe stata troppo elevata, contraddicendo la mancanza di eventi di microlente osservati. I loro calcoli suggeriscono che, sebbene questi buchi neri possano esistere, costituirebbero solo una piccola frazione della materia oscura totale, circa lo 0,12 percento, piuttosto che essere la spiegazione esclusiva di essa.

Oltre ai buchi neri stessi, lo studio punta a un potenziale modo per testare queste idee in futuro. Il violento processo di creazione di questi buchi neri genererebbe anche increspature nello spaziotempo note come onde gravitazionali. I ricercatori hanno notato che la frequenza specifica di queste onde rientra nell'intervallo di sensibilità del Square Kilometer Array, un massiccio progetto di radiotelescopio attualmente in fase di sviluppo. Ciò suggerisce che le osservazioni future potrebbero rilevare queste onde, fornendo una prova forte dell'esistenza di questi buchi neri primordiali, oppure escludere interamente questo specifico meccanismo. Il lavoro offre una via concreta da seguire, spostando la ricerca di questi oggetti elusivi dalla pura teoria all'ambito della scienza osservabile.