L'esplosione di un buco nero potrebbe cambiare la nostra comprensione dell'universo

I buchi neri primordiali sono oggetti ipotetici proposti da Stephen Hawking che si sarebbero formati nei primi istanti dopo il Big Bang. Si sarebbero formati a partire da fluttuazioni estreme di densità nell'Universo primordiale. Dopo la formazione, questi buchi neri potrebbero avere masse comprese tra valori paragonabili a quelli degli atomi e masse planetarie o superiori.

Inoltre, Stephen Hawking ha anche introdotto il concetto di radiazione di Hawking, secondo cui i buchi neri possono emettere radiazioni termiche. Per i buchi neri primordiali di bassa massa, questo processo porterebbe a una graduale perdita di energia nel tempo e risulterebbe in una fase finale estremamente energetica. Durante questa fase, un buco nero primordiale di bassa massa potrebbe esplodere e rilasciare particelle energetiche, come fotoni ad alta energia, raggi gamma e neutrini.

Recentemente, esperimenti sui neutrini condotti dall'osservatorio KM3NeT hanno rilevato eventi energetici che alcuni fisici interpretano come possibili segni dell'esplosione di buchi neri primordiali. Se confermato, questo sarebbe il primo avvistamento di un buco nero primordiale e potrebbe aprire una nuova finestra osservativa sulla fisica dell'Universo primordiale.

Buchi neri primordiali

I buchi neri primordiali sono oggetti teorici che si sarebbero formati nei primi istanti dell'Universo, subito dopo il Big Bang. Si sarebbero formati quando piccole fluttuazioni di densità sono state amplificate al punto da collassare gravitazionalmente. A differenza dei buchi neri astrofisici che osserviamo oggi, come quelli stellari e supermassicci, i buchi neri primordiali possono esistere in diverse dimensioni, da quelle atomiche a quelle stellari.

L'esistenza di questi buchi neri è legata alle condizioni fisiche dell'Universo giovane e alle possibili fasi di espansione accelerata o transizioni di fase nel plasma primordiale. Se esistono, queste fasi di espansione possono influenzare la formazione di strutture cosmiche e influire sulla dinamica dell'Universo su larga scala. I buchi neri primordiali sono spesso studiati come candidati alla materia oscura, poiché interagiscono principalmente attraverso la gravità.

Radiazione di Hawking

La radiazione di Hawking è un effetto quantistico proposto da Stephen Hawking secondo cui i buchi neri emettono particelle a causa delle fluttuazioni quantistiche vicino all'orizzonte degli eventi. Questo processo fa sì che il buco nero perda massa lentamente, in modo praticamente impercettibile per i buchi neri stellari o supermassicci. Tuttavia, minore è la massa del buco nero, maggiore è il tasso di emissione di questa radiazione e più rapida è la sua evaporazione.

Nel caso dei buchi neri primordiali, in particolare quelli a bassa massa formatisi all'inizio dell'Universo, la radiazione di Hawking può portare alla loro completa evaporazione nel corso del tempo. Nelle fasi finali di questo processo, il processo porta al rilascio di grandi quantità di energia in un breve intervallo di tempo, formando un'esplosione. Durante questo processo, si prevede che vengano emesse particelle altamente energetiche, come fotoni e neutrini.

Un buco nero che esplode

Nel 2023, il rilevatore di neutrini KM3NeT ha registrato un neutrino con un'energia circa 100.000 volte superiore a quella della particella più grande mai prodotta nell'LHC. Questo evento è rimasto senza spiegazione perché nessun fenomeno astrofisico conosciuto emetteva tale energia nei neutrini. Di conseguenza, alcuni fisici hanno analizzato la possibilità che il segnale potesse essere il risultato dell'esplosione finale di un buco nero primordiale.

I ricercatori hanno suggerito l'esistenza di buchi neri primordiali con una “carica oscura”, associati a particelle al di fuori del Modello Standard. Questi buchi neri avrebbero tassi di emissione e firme osservative diverse, in grado di generare eventi rari e direzionali che spiegherebbero perché alcuni osservatori non li hanno rilevati. Se confermata, questa ipotesi indicherebbe la prima osservazione indiretta dell'esplosione di un buco nero primordiale.

Risposte sulla materia oscura

Questi modelli con buchi neri primordiali portatori di una “carica oscura” offrono un nuovo modo per spiegare la natura della materia oscura. Una grande popolazione di buchi neri primordiali formatisi all'inizio dell'Universo potrebbe agire come materia oscura. Ciò spiegherebbe in parte perché riusciamo a osservare la materia oscura solo in modo gravitazionale.

In questo modo, sarebbe possibile spiegare la produzione dei neutrini energetici osservati e, allo stesso tempo, fornire una spiegazione unificata per la materia oscura. Se ulteriori prove confermassero questa ipotesi, si aprirebbe la possibilità di verificare osservativamente la radiazione di Hawking e dimostrare l'esistenza dei buchi neri primordiali.

Fonte della notizia

Baker at al. 2025 Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasiextremal primordial black holes Physical Review Letters