L’ultimo sussulto di un buco nero primordiale potrebbe essere la fonte di un neutrino ad altissima energia rilevato da Terra.
I fisici del MIT hanno avanzato una solida tesi teorica secondo cui un neutrino altamente energetico osservato di recente potrebbe essere stato il prodotto di un buco nero primordiale esploso al di fuori del nostro Sistema Solare. I neutrini sono talvolta definiti particelle fantasma, per la loro natura invisibile ma pervasiva: sono il tipo di particella più abbondante nell’universo, eppure lasciano a malapena una traccia. Gli scienziati hanno recentemente identificato tracce di un neutrino con l’energia più elevata mai registrata, ma la fonte di una particella così insolitamente potente deve ancora essere confermata. I ricercatori ipotizzano che il misterioso neutrino possa essere derivato dall’inevitabile esplosione di un buco nero primordiale. I buchi neri primordiali (PBH) sono ipotetici buchi neri, versioni microscopiche dei buchi neri molto più massicci che si trovano al centro della maggior parte delle galassie. Si ipotizza che i PBH si siano formati nei primi istanti successivi al Big Bang. Alcuni scienziati ritengono che i buchi neri primordiali potrebbero costituire la maggior parte o tutta la materia oscura presente nell’universo odierno.
La radiazione di Hawking
Come le loro controparti più massicce, i PBH dovrebbero perdere energia e ridursi nel corso della loro vita, in un processo noto come radiazione di Hawking, previsto dal fisico Stephen Hawking. Più un buco nero irradia, più diventa caldo e più particelle ad alta energia rilascia. Questo è un processo incontrollabile che dovrebbe produrre un’esplosione incredibilmente violenta delle particelle più energetiche appena prima che il buco nero evapori.
I fisici del MIT calcolano che, se i PBH costituiscono la maggior parte della materia oscura nell’universo, una piccola sottopopolazione di essi starebbe subendo oggi le sue esplosioni finali in tutta la Via Lattea. E dovrebbe esserci una possibilità statisticamente significativa che una di esse sia avvenuta relativamente vicino al nostro Sistema Solare. L’esplosione avrebbe rilasciato una enorme quantità di particelle ad alta energia, inclusi neutrini, uno delle quali avrebbe avuto buone probabilità di colpire un rilevatore sulla Terra.
Se un simile scenario si fosse effettivamente verificato, la recente rilevazione del neutrino ad altissima energia rappresenterebbe la prima osservazione della radiazione di Hawking, da tempo ipotizzata ma mai osservata direttamente da un buco nero. Inoltre, l’evento potrebbe indicare l’esistenza di buchi neri primordiali che costituiscono la maggior parte della materia oscura, una sostanza misteriosa che costituisce l’85% della materia totale dell’universo, la cui natura rimane sconosciuta.
Tensione ad alta energia
A febbraio, gli scienziati del Cubic Kilometer Neutrino Telescope, o KM3NeT, hanno annunciato la rilevazione del neutrino di più alta energia mai registrato finora. KM3NeT è un rivelatore di neutrini sottomarino su larga scala, situato sul fondale del Mar Mediterraneo, dove l’ambiente è progettato per attenuare gli effetti di qualsiasi particella diversa dai neutrini. Gli scienziati che hanno utilizzato il rivelatore hanno rilevato le impronte di un neutrino di passaggio con un’energia di oltre 100 peta-elettronvolt. Un peta-elettronvolt equivale all’energia di 1 quadrilione di elettronvolt. “Si tratta di un’energia incredibilmente elevata, ben oltre qualsiasi accelerazione di particelle che gli esseri umani siano in grado di raggiungere“, ha affermato Alexandra Klipfel l’autrice principale dello studio. “E non c’è molto consenso sull’origine di particelle così energetiche“.
Buco nero ad alta energia
Analogamente, neutrini ad alta energia, sebbene non così elevati come quelli osservati da KM3NeT, sono stati rilevati dall’Osservatorio IceCube, un rivelatore di neutrini immerso nelle profondità del ghiaccio al Polo Sud. IceCube ha rilevato circa una mezza dozzina di questi neutrini, le cui energie insolitamente elevate sono anch’esse sfuggite a ogni spiegazione. Qualunque sia la loro origine, le osservazioni di IceCube consentono agli scienziati di calcolare una frequenza plausibile con cui i neutrini di quelle energie colpiscono tipicamente la Terra. Se questa frequenza fosse corretta, tuttavia, sarebbe estremamente improbabile aver visto il neutrino ad altissima energia recentemente rilevato da KM3NeT. Le scoperte dei due rivelatori, quindi, sembrano essere ciò che gli scienziati chiamano “tensione”, ovvero una possibile discrepanza osservativa.
I ricercatori Davide Kaiser e Alexandra Klipfel, che stavano lavorando a un progetto separato sui buchi neri primordiali, si sono chiesti: un PBH avrebbe potuto produrre sia il neutrino KM3NeT sia la manciata di neutrini IceCube, nelle condizioni in cui i PBH costituiscono la maggior parte della materia oscura della galassia? Se fossero riusciti a dimostrare l’esistenza di una possibilità, si sarebbe sollevata una questione ancora più entusiasmante: che entrambi gli osservatori abbiano rilevato non solo neutrini ad alta energia, ma anche i resti della radiazione di Hawking.
La nostra migliore possibilità
Il primo passo compiuto dagli scienziati nella loro analisi teorica è stato calcolare quante particelle verrebbero emesse da un buco nero in evaporazione. Tutti i buchi neri dovrebbero irradiare lentamente nel tempo. Più grande è un buco nero, più è freddo e più particelle a bassa energia emette mentre evapora lentamente. Pertanto, qualsiasi particella emessa come radiazione di Hawking da buchi neri di massa stellare pesante sarebbe quasi impossibile da rilevare. Allo stesso modo, buchi neri primordiali molto più piccoli sarebbero molto caldi ed emetterebbero particelle ad alta energia in un processo che accelera man mano che il buco nero si avvicina alla scomparsa completa.
I ricercatori hanno calcolato il numero e le energie delle particelle che un buco nero dovrebbe emettere, data la sua temperatura e la sua massa in diminuzione. Nel suo ultimo nanosecondo, stimano che, una volta che un buco nero raggiunge dimensioni più piccole di un atomo, dovrebbe emettere un’ultima esplosione di particelle, tra cui circa 10/20 neutrini, ovvero circa un sestilione di particelle, con energie di circa 100 peta-elettronvolt (circa l’energia osservata da KM3NeT).
Il risultato è stato usato per calcolare il numero di esplosioni di buchi neri primordiali (PBH) che dovrebbero verificarsi in una galassia per spiegare i risultati riportati da IceCube. Nella nostra regione della Via Lattea dovrebbero dunque esplodere circa 1.000 buchi neri primordiali per parsec cubo all’anno. E un PBH dovrebbe riuscire a esplodere relativamente vicino al nostro Sistema Solare, a una distanza circa 2.000 volte superiore a quella tra la Terra e il nostro Sole.
Verso la Terra
Le particelle emesse da un’esplosione così vicina si irradierebbero in tutte le direzioni. Tuttavia, il team ha scoperto che esiste una piccola probabilità, pari all’8%, che un’esplosione possa verificarsi abbastanza vicino al Sistema Solare, una volta ogni 14 anni, in modo che un numero sufficiente di neutrini ad altissima energia colpisca la Terra. “Una probabilità dell’8 percento non è molto alta, ma rientra ampiamente nell’intervallo in cui dovremmo prendere sul serio tali possibilità, tanto più che finora non è stata trovata alcuna altra spiegazione che possa chiarire sia i neutrini ad altissima energia che l’ancor più sorprendente evento dell’esplosione“, ha affermato Kaiser.
Buco nero e materia oscura
Lo scenario del team sembra reggere, almeno in teoria. Per confermare la loro idea saranno necessarie molte più rilevazioni di particelle, inclusi neutrini a “energie incredibilmente elevate”. Solo allora gli scienziati potranno elaborare statistiche più accurate su eventi così rari. Parallelamente, altri sforzi per rilevare PBH nelle vicinanze potrebbero rafforzare ulteriormente l’ipotesi che questi oggetti insoliti costituiscano la maggior parte o tutta la materia oscura.
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Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale su MIT news
- Legg il paper scientifico intitolato “Ultrahigh-Energy Neutrinos from Primordial Black Holes” pubblicato su Physical Review Letters
